Nature genetics | HLA自免疫风险等位基因限制T细胞受体高可变区
原创 苏安 图灵基因 2022-04-11 17:39
收录于话题#前沿分子生物学机制
撰文：苏安
IF：38.33
推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐
亮点：
1. 本文作者研究了HLA基因的多态性，观察到HLA与CDR3的强关联。
2. 本文作者鉴定了多个由HLA风险等位基因富集的CDR3氨基酸特征。
3. 本文的研究结果为人类自身免疫研究的“中心假说”提供了证据支持。
近期，在Nature genetics杂志上发表了一篇名为“HLA autoimmune risk alleles restrict the hypervariable region of T cell receptors”的文章，本文的研究人员首先通过对HLA等位基因的研究，观察到了HLA与CDR3的强关联，同时鉴定了这些CDR3的氨基酸特征；接下来，他们研究了HLA自身免疫风险等位基因如何改变CDR3基因库的氨基酸组成；最后，他们评估了HLA自身免疫风险等位基因所青睐的CDR3特征是否在候选致病性TCR中富集。这些研究结果扩展了对HLA介导的自身免疫风险的理解，并为中心假说提供了遗传学证据。
自身免疫性疾病是指免疫系统针对宿主来源的蛋白质（自身抗原）进行破坏。对于所有的自身免疫性疾病，包含HLA基因的主要组织相容性复合体(MHC)位点比基因组中的任何其他位点承担更多的风险。目前自身免疫风险主要有两种假说：①外周假说：风险等位基因编码的HLA蛋白可能增加关键自身抗原向免疫系统的呈现(图1a)②中心假说：HLA风险等位基因可能通过影响胸腺T细胞的选择来调节自身免疫的风险，从而导致自身反应性tcr的频率增加(图1a)。为了验证HLA等位基因对特定CDR3位置的氨基酸频率的影响，对于每个CDR3位置，作者创建了一个多维表型载体，表示所有氨基酸的频率。他们使用多元多元线性回归模型(MMLM)检测该载体与HLA位点所有等位基因之间的关联；最后使用多变量方差分析(manova)检验来评估它们的显著性(图1b）图1.基本假设和研究概述
为了确定CDR3-QTL的位置信号，作者纳入了L12-L18CDR3(捕获94.1%的CDR3序列)，共进行了24,360次检测。在80.8%的显著关联中，涉及的HLA蛋白是II类蛋白(图2a)；在69.5%的显著关联中，涉及的CDR3位置是一个高度多样化的中间位置。在MMLM分析中，HLA-DRB1位点13和L13-CDR3位置109之间的相关性最强(manova检验P=2.7×10−138；图2a-c）。在HLA-DRB1的所有多态性位点中，cdr3-QTL效应最显著的位点HLA-DRB1位点13是最接近抗原肽的位点(平均5.3A；图2b）。作者还观察到，在嵌入空间中，HLA-DRB1位点13和CDR3位109接近一组共同的抗原位置，说明13位点和109位之间的关联是通过抗原肽残基的间接物理相互作用介导的(图2d)。为了重现这些效应，作者获得了169个健康个体的复制数据集，其中包括来自已分类的幼稚CD4+T细胞的RNA测序，结果显示，MMLM分析中解释的方差在复制和发现数据集之间相似(皮尔逊的r=0.65)，而HLA-DRB1位点13和L13-CDR3位置109之间的关联再次最强。图2.HLA-DRB1位点13强烈影响CDR3的氨基酸组成。
为了评估HLA-DRB1位点13之外是否存在独立效应，作者在发现数据集中的HLA-DRB1内进行了一系列条件单倍型分析。按降序的显著性排列，HLA-DRB1的13，71、32、74、86和30位点显示出独立显著的信号(图3），这6个位点总共解释了高达20%的CDR3中间位置氨基酸频率的方差，其中大约一半的方差可以由位点13解释。在这些位点中，有3个（13、71和74）面对HLA-DRB1的P4抗原结合袋，这表明HLA-DRB1P4口袋在形成TCR库中起着关键作用。图3.条件单倍型分析结果。
为了研究HLA等位基因对TCR组成影响的生物学位置和时间，作者研究了5个T细胞阶段：①胸腺T细胞预选；②胸腺T细胞后选择③外周血中的幼稚T细胞④外周血中的记忆T细胞⑤疾病发作后的记忆T细胞。为了评估CDR3-QTL在第一阶段产生效应的可能性，作者检测了具有TRBV21-1的非生产性TCR和生产性CDR3-qtl，作者没有观察到关联的证据(图4a，b）。接下来，作者评估了CDR3-qtl是由T细胞第4期外围抗原呈递驱动的可能性。结果发现，CDR3-QTL信号在克隆扩增的细胞群中不但没有富集，居然减弱了CDR3-QTL信号(方差平均减少了47.3%；图4c，d)。图4.非生产性CDR3未观察到CDR3-QTL效应，克隆扩增减弱。
为了研究在CDR3在RA的发病机制中的影响，作者利用数据集，检查了L14-CDR3位置110的结果，这是HLA-DRB1位置13信号最强的L14位置(manova检验P=6.7×10−126）。结果表明，增加RA风险的HLA-DRB1位点13个氨基酸增加了天冬氨酸（一种带负电荷的氨基酸）的频率，而那些保护RA的氨基酸降低了天冬氨酸的频率；这些影响的大小密切相关(皮尔逊的r=0.92；图5)。对另一种带负电荷的氨基酸谷氨酸也观察到类似的结果(r=0.76)。有趣的是，作者观察到了与赖氨酸相反的发现，这是一种带正电荷的氨基酸(r=−0.90；图5)。这些结果在其他CDR3长度中也可以观察到，由此，作者提出了110号位置负电荷参与RA发病机制的假设。图5.CDR3第110位的负电荷可能参与RA的发病机制。
为了直接推断HLA等位基因对CDR3限制性疾病的综合影响，作者定义了RA、T1D和CD的多等位基因HLA风险评分(图6a)，通过计算了发现数据集中的HLA风险评分，并使用LM测试了CDR3的关联；为了说明与自身免疫风险等位基因相关的CDR3氨基酸模式，作者创建了序列标识(图6b)；为了量化这些趋势，作者研究了五种广泛的聚集氨基酸特征：电荷、疏水性、折射率、典型二级结构的倾向和分子大小，他们使用线性回归框架来检验这些表型与HLA风险评分之间的相关性(图6c)。这些结果揭示了这种CDR3表型的遗传基础，并证明了其在人类中与多种自身免疫性疾病的相关性。最后，为了评估CDR3风险评分的性能，作者将该评分应用于初始CD4+T细胞的独立复制数据集(n=169)。令人欣慰的是，CDR3风险评分与HLA风险评分显著相关；RA、T1D和CD的Pearson’sr分别为0.46、0.59和0.47(图6d)。因此，作者建立并验证了一种量化与自身免疫相关的CDR3模式的方法。
为了验证作者建立的风险评分机制，他们在致病性CD4+T细胞中进行应用检测。作者首先分析了来自CD患者的TCR序列的公共数据集，结果显示：麦胶蛋白特异性TCRs比对照TCRs具有更高的CD-CDR3风险评分(单侧t检验P=0.0058；图7a)。然后，他们又分析了来自RA患者的TCR数据，结果显示：瓜氨酸化表位特异性的tcr比对照组的tcr具有更高的RA-CDR3风险评分(单侧t检验P=0.0068；图7b）。图7.致病性CD4+T细胞具有较高的CDR3风险评分。
本文的研究团队利用TCR的定量性状分析框架表明，HLA等位基因和CDR3氨基酸组成之间存在较大的效应量关联。他们鉴定了与MHC范围范围内的自身免疫性疾病风险相关的CDR3氨基酸模式，这些氨基酸模式在对候选致病性抗原反应的T细胞中富集。他们的分析提供了遗传学证据，表明HLA自身免疫风险增加了对候选致病抗原反应的频率。
教授介绍：
Kazuyoshi Ishigaki
Kazuyoshi Ishigaki是哈佛大学，里肯综合医学中心组长。2014年取得东京大学医学博士学位，2014-2018年在日本横滨理研综合医学中心担任博士后研究员，2018-2019年在美国马萨诸塞州波士顿布里格姆妇女医院遗传学分部担任博士后研究员。
主要研究方向：自身免疫疾病的发病机制，尤其是抗原特异性反应。目前聚焦于遗传因素对T细胞受体的影响，利用单细胞RNA序列数据进行eQTL分析，类风湿性关节炎的跨种族GWAS等研究。
参考文献：
Kazuyoshi Ishigaki et al. HLA autoimmune risk alleles restrict thehypervariable region of T cell receptors[J].Naturegenetics. 2022 Mar 30:S1588-022-01032