Nature genetics | HLA自免疫風險等位基因限制T細胞受體高可變區(qū)
原創(chuàng)?蘇安?圖靈基因?2022-04-11 17:39
收錄于話題#前沿分子生物學機制
撰文：蘇安
IF：38.33
推薦度：?????
亮點：
1.?本文作者研究了HLA基因的多態(tài)性端考，觀察到HLA與CDR3的強關聯(lián)恬涧。
2.?本文作者鑒定了多個由HLA風險等位基因富集的CDR3氨基酸特征。
3.?本文的研究結果為人類自身免疫研究的“中心假說”提供了證據(jù)支持但校。
近期，在Nature genetics雜志上發(fā)表了一篇名為“HLA autoimmune risk alleles restrict the?hypervariable region of T cell receptors”的文章硼一，本文的研究人員首先通過對HLA等位基因的研究新翎，觀察到了HLA與CDR3的強關聯(lián)，同時鑒定了這些CDR3的氨基酸特征如失；接下來，他們研究了HLA自身免疫風險等位基因如何改變CDR3基因庫的氨基酸組成送粱；最后褪贵，他們評估了HLA自身免疫風險等位基因所青睞的CDR3特征是否在候選致病性TCR中富集。這些研究結果擴展了對HLA介導的自身免疫風險的理解，并為中心假說提供了遺傳學證據(jù)脆丁。
自身免疫性疾病是指免疫系統(tǒng)針對宿主來源的蛋白質（自身抗原）進行破壞世舰。對于所有的自身免疫性疾病，包含HLA基因的主要組織相容性復合體(MHC)位點比基因組中的任何其他位點承擔更多的風險槽卫。目前自身免疫風險主要有兩種假說：①外周假說：風險等位基因編碼的HLA蛋白可能增加關鍵自身抗原向免疫系統(tǒng)的呈現(xiàn)(圖1a)②中心假說：HLA風險等位基因可能通過影響胸腺T細胞的選擇來調節(jié)自身免疫的風險跟压，從而導致自身反應性tcr的頻率增加(圖1a)。為了驗證HLA等位基因對特定CDR3位置的氨基酸頻率的影響歼培，對于每個CDR3位置震蒋，作者創(chuàng)建了一個多維表型載體，表示所有氨基酸的頻率躲庄。他們使用多元多元線性回歸模型(MMLM)檢測該載體與HLA位點所有等位基因之間的關聯(lián)查剖；最后使用多變量方差分析(manova)檢驗來評估它們的顯著性(圖1b）圖1.基本假設和研究概述
為了確定CDR3-QTL的位置信號，作者納入了L12-L18CDR3(捕獲94.1%的CDR3序列)噪窘，共進行了24,360次檢測笋庄。在80.8%的顯著關聯(lián)中，涉及的HLA蛋白是II類蛋白(圖2a)倔监；在69.5%的顯著關聯(lián)中直砂，涉及的CDR3位置是一個高度多樣化的中間位置。在MMLM分析中浩习，HLA-DRB1位點13和L13-CDR3位置109之間的相關性最強(manova檢驗P=2.7×10?138哆键；圖2a-c）。在HLA-DRB1的所有多態(tài)性位點中瘦锹，cdr3-QTL效應最顯著的位點HLA-DRB1位點13是最接近抗原肽的位點(平均5.3A；圖2b）闪盔。作者還觀察到弯院，在嵌入空間中，HLA-DRB1位點13和CDR3位109接近一組共同的抗原位置泪掀，說明13位點和109位之間的關聯(lián)是通過抗原肽殘基的間接物理相互作用介導的(圖2d)听绳。為了重現(xiàn)這些效應，作者獲得了169個健康個體的復制數(shù)據(jù)集异赫，其中包括來自已分類的幼稚CD4+T細胞的RNA測序椅挣，結果顯示，MMLM分析中解釋的方差在復制和發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集之間相似(皮爾遜的r=0.65)塔拳，而HLA-DRB1位點13和L13-CDR3位置109之間的關聯(lián)再次最強鼠证。圖2.HLA-DRB1位點13強烈影響CDR3的氨基酸組成。
為了評估HLA-DRB1位點13之外是否存在獨立效應靠抑，作者在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中的HLA-DRB1內進行了一系列條件單倍型分析量九。按降序的顯著性排列，HLA-DRB1的13，71荠列、32类浪、74、86和30位點顯示出獨立顯著的信號(圖3）肌似，這6個位點總共解釋了高達20%的CDR3中間位置氨基酸頻率的方差费就，其中大約一半的方差可以由位點13解釋。在這些位點中川队，有3個（13力细、71和74）面對HLA-DRB1的P4抗原結合袋，這表明HLA-DRB1P4口袋在形成TCR庫中起著關鍵作用呼寸。圖3.條件單倍型分析結果艳汽。
為了研究HLA等位基因對TCR組成影響的生物學位置和時間，作者研究了5個T細胞階段：①胸腺T細胞預選对雪；②胸腺T細胞后選擇③外周血中的幼稚T細胞④外周血中的記憶T細胞⑤疾病發(fā)作后的記憶T細胞河狐。為了評估CDR3-QTL在第一階段產生效應的可能性，作者檢測了具有TRBV21-1的非生產性TCR和生產性CDR3-qtl瑟捣，作者沒有觀察到關聯(lián)的證據(jù)(圖4a馋艺，b）。接下來迈套，作者評估了CDR3-qtl是由T細胞第4期外圍抗原呈遞驅動的可能性捐祠。結果發(fā)現(xiàn)，CDR3-QTL信號在克隆擴增的細胞群中不但沒有富集桑李，居然減弱了CDR3-QTL信號(方差平均減少了47.3%踱蛀；圖4c，d)贵白。圖4.非生產性CDR3未觀察到CDR3-QTL效應率拒，克隆擴增減弱。
為了研究在CDR3在RA的發(fā)病機制中的影響禁荒，作者利用數(shù)據(jù)集猬膨，檢查了L14-CDR3位置110的結果，這是HLA-DRB1位置13信號最強的L14位置(manova檢驗P=6.7×10?126）呛伴。結果表明勃痴，增加RA風險的HLA-DRB1位點13個氨基酸增加了天冬氨酸（一種帶負電荷的氨基酸）的頻率，而那些保護RA的氨基酸降低了天冬氨酸的頻率热康；這些影響的大小密切相關(皮爾遜的r=0.92沛申；圖5)。對另一種帶負電荷的氨基酸谷氨酸也觀察到類似的結果(r=0.76)姐军。有趣的是污它，作者觀察到了與賴氨酸相反的發(fā)現(xiàn)，這是一種帶正電荷的氨基酸(r=?0.90；圖5)衫贬。這些結果在其他CDR3長度中也可以觀察到德澈，由此，作者提出了110號位置負電荷參與RA發(fā)病機制的假設固惯。圖5.CDR3第110位的負電荷可能參與RA的發(fā)病機制梆造。
為了直接推斷HLA等位基因對CDR3限制性疾病的綜合影響，作者定義了RA葬毫、T1D和CD的多等位基因HLA風險評分(圖6a)镇辉，通過計算了發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中的HLA風險評分，并使用LM測試了CDR3的關聯(lián)贴捡；為了說明與自身免疫風險等位基因相關的CDR3氨基酸模式忽肛，作者創(chuàng)建了序列標識(圖6b)；為了量化這些趨勢烂斋，作者研究了五種廣泛的聚集氨基酸特征：電荷屹逛、疏水性、折射率汛骂、典型二級結構的傾向和分子大小罕模，他們使用線性回歸框架來檢驗這些表型與HLA風險評分之間的相關性(圖6c)。這些結果揭示了這種CDR3表型的遺傳基礎帘瞭，并證明了其在人類中與多種自身免疫性疾病的相關性淑掌。最后，為了評估CDR3風險評分的性能蝶念，作者將該評分應用于初始CD4+T細胞的獨立復制數(shù)據(jù)集(n=169)抛腕。令人欣慰的是，CDR3風險評分與HLA風險評分顯著相關媒殉；RA兽埃、T1D和CD的Pearson’sr分別為0.46、0.59和0.47(圖6d)适袜。因此，作者建立并驗證了一種量化與自身免疫相關的CDR3模式的方法舷夺。
為了驗證作者建立的風險評分機制苦酱，他們在致病性CD4+T細胞中進行應用檢測。作者首先分析了來自CD患者的TCR序列的公共數(shù)據(jù)集给猾，結果顯示：麥膠蛋白特異性TCRs比對照TCRs具有更高的CD-CDR3風險評分(單側t檢驗P=0.0058疫萤；圖7a)。然后敢伸，他們又分析了來自RA患者的TCR數(shù)據(jù)扯饶，結果顯示：瓜氨酸化表位特異性的tcr比對照組的tcr具有更高的RA-CDR3風險評分(單側t檢驗P=0.0068；圖7b）。圖7.致病性CD4+T細胞具有較高的CDR3風險評分尾序。
本文的研究團隊利用TCR的定量性狀分析框架表明钓丰，HLA等位基因和CDR3氨基酸組成之間存在較大的效應量關聯(lián)。他們鑒定了與MHC范圍范圍內的自身免疫性疾病風險相關的CDR3氨基酸模式每币，這些氨基酸模式在對候選致病性抗原反應的T細胞中富集携丁。他們的分析提供了遺傳學證據(jù)，表明HLA自身免疫風險增加了對候選致病抗原反應的頻率兰怠。
教授介紹：
Kazuyoshi Ishigaki
Kazuyoshi Ishigaki是哈佛大學梦鉴，里肯綜合醫(yī)學中心組長。2014年取得東京大學醫(yī)學博士學位揭保，2014-2018年在日本橫濱理研綜合醫(yī)學中心擔任博士后研究員肥橙，2018-2019年在美國馬薩諸塞州波士頓布里格姆婦女醫(yī)院遺傳學分部擔任博士后研究員。
主要研究方向：自身免疫疾病的發(fā)病機制秸侣，尤其是抗原特異性反應存筏。目前聚焦于遺傳因素對T細胞受體的影響，利用單細胞RNA序列數(shù)據(jù)進行eQTL分析塔次，類風濕性關節(jié)炎的跨種族GWAS等研究方篮。
參考文獻：
Kazuyoshi Ishigaki et al. HLA autoimmune risk alleles restrict thehypervariable region of T cell receptors[J].Naturegenetics. 2022 Mar 30:S1588-022-01032
