RAG 녹아웃을 이용한 면역 수용체 다양성 연구

RAG1 및 RAG2 소개

B세포가 생성하는 면역글로불린(Ig)은 B세포 표면 수용체(BCR)와 항체에 통합되며, T세포 표면 수용체(TCR) 역시 특정합니다. 즉, Ig 또는 TCR 단백질은 단일 항원만 특정하게 인식할 수 있습니다. 그러나 전반적으로 이러한 단백질은 V(D)J 재조합을 통해 엄청난 다양성을 달성합니다. V(D)J 재조합은 척추동물의 초기 T세포 및 B세포 발달 성숙 과정에서 발생하는 체세포 재조합 메커니즘으로, 변수(V), 다양성(D), 결합(J) 유전자 재배열을 통해 서로 다른 항원을 인식할 수 있는 다양한 면역글로불린과 TCR을 생성합니다. 또한, 재조합 활성화 유전자(RAGs)인 RAG1과 RAG2는 각각 RAG-1 및 RAG-2 재조합효소를 코딩합니다. RAG1과 RAG2는 발달 중인 림프구 세포에서만 제한적으로 발현되며, 적응면역계의 필수 구성 요소입니다.

V(D)J 재조합의 12/23 규칙

재조합 신호 서열(RSS)은 Ig 및 TCR의 게놈 유전자에서 V, D, J 영역 양끝에 존재합니다. 구조적으로 RSS는 한쪽 끝에 7bp 서열(heptamer)과 다른 쪽 끝에 9bp 서열(nonamer)을 가지며, 그 사이에 12bp 또는 23bp의 스퍼서 서열이 끼워져 있습니다. 따라서 RSS는 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 12-RSS는 12bp 스퍼서를 가진 것이며, 23-RSS는 23bp 스퍼서를 가진 것입니다(그림 1a). 12/23 규칙이란 V(D)J 재조합 과정에서 12-RSS는 오직 23-RSS와만 결합할 수 있으며, 유전자 조각의 정확한 결합을 보장한다는 의미입니다. 예를 들어, Ig 중쇄(IgH)의 게놈 유전자에서는 VH 및 JH 유전자가 모두 23-RSS로 둘러싸여 있으며, DH 유전자는 12-RSS로 둘러싸여 있습니다. 따라서 12/23 규칙은 VH와 JH 유전자의 직접 결합을 방지하여 DH 유전자가 재조합에 관여하도록 보장합니다(그림 1b). 또한 분자 수준에서 12-RSS와 23-RSS의 결합은 더 안정적인 시나프토네크스 복합체(synapsis) 형성에도 기여합니다.

V(D)J 재조합 과정에서 RAG1/2 복합체는 고이동성군 상자 1(HMGB1)의 도움을 받아 DNA 결합을 보조하며, heptamer과 RSS의 코딩 엔드 경계에서 단일 가닥 절단을 정밀하게 유도합니다. 절단은 코딩 서열 끝에 자유로운 3'-OH 그룹을 생성하며, 이는 반대 방향의 인산디에스터 결합을 공격하여 헤어핀 구조와 뾰족한 신호 엔드(signal end)를 형성합니다. 신호 엔드는 RAG1/2 복합체에 결합한 채로 임시적인 "절단 후 복합체(post cleavage complex)"를 구성합니다. 이후 코딩 엔드와 신호 엔드는 비동형 엔드 결합(NHEJ) 경로에 의해 처리되고 연결되어 코딩 접합부와 원형화된 신호 접합부를 형성합니다(그림 1c).

(a) RSS 구조: 12-RSS 및 23-RSS는 각각 12bp 또는 23bp의 스퍼서로 사이에 7bp 헤프타머와 9bp 노네머가 끼워져 있습니다.

(b) 인간 IgH, IGK, IGL 및 TCR α, β, γ, δ 사슬 유전자에서 RSS의 분포.

(c) V(D)J 재조합 메커니즘.

RAG1과 RAG2의 차이점

RAG1과 RAG2의 기능적 차이는 무엇일까요? 아카마츠 박사의 실험 결과에 따르면, RSS와 비특이적 DNA 서열이 존재하는 조건에서 RAG-1의 RSS 결합은 비특이적 DNA 서열보다 3~5배 높을 뿐만 아니라, RAG-2의 경우 실험적으로 DNA 결합이 관찰되지 않았습니다. 그러나 RAG1과 RAG2가 함께 존재할 경우, RAG1/2 복합체가 DNA와 결합하여 RAG1-DNA 복합체보다 더 안정적이고 특이적인 구조를 형성하며, V(D)J 재조합에서 절단 활성을 갖습니다. 이러한 결과는 RAG2가 RAG1의 DNA 인식을 보조하는 역할을 하며, RSS에 대한 효율적인 결합과 인식을 위해서는 RAG1과 RAG2가 동시에 존재해야 한다는 점을 시사합니다[2].

요약

RAG-1 및 RAG-2 재조합효소는 T세포 및 B세포의 발달과 성숙, 면역글로불린 생성에 있어 필수적입니다. V(D)J 재조합 과정에서 RAG1/2 복합체는 RSS의 인식과 절단에 관여합니다. 따라서 PrkdcSCID 유전자 변이를 가진 마우스와 달리, Rag1 및 Rag2 녹아웃(KO) 마우스는 V(D)J 재조합 경로의 손상으로 인해 기능성 T세포 및 B세포와 면역글로불린이 결여되며, 면역 누출("leakiness")이 발생하지 않습니다. 면역 누출의 발생률은 다양한 유전적 배경을 가진 SCID 마우스에서 다릅니다. 일반적으로 C57BL/6J 및 BALB/c 배경을 가진 SCID 마우스는 높은 누출률을 보이며, C3H 배경에서는 낮고, NOD 배경에서는 극히 낮습니다. 그러나 면역 누출을 유도하는 분자 메커니즘은 현재까지 명확하지 않습니다.

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참고문헌

[1] Nishana, M., & Raghavan, S. C. (2012). 항원 수용체 다양성 생성 및 그 이상에 있어 재조합 활성화 유전자 역할. Immunology, 137(4), 271–281.

[2] Akamatsu Y, Oettinger MA. (1998). V(D)J 재조합 신호 서열에 대한 RAG1 및 RAG2의 독특한 역할. Mol Cell Biol, 18(8):4670-8.