哺乳动物TRB基因座中特殊TRBD2-TRBJ1重排模式的发现及其对CDR3库多样性的影响机制研究

《BMC Genomics》：scTCR-seq and HTS reveal a special novel TRBD2-TRBJ1 rearrangement in mammalian TRB CDR3 repertoire

编辑推荐：传统"12/23规则"无法解释TRBD2与TRBJ1的重排现象。遵义医科大学团队通过scTCR-seq和HTS技术，在人类、小鼠等5种哺乳动物中发现14-24%的D2-J1特殊重排，揭示反向TRBV30基因通过优先与D2或D1发生倒位重排的两种新机制，为TCR多样性形成提供了新视角。

　　

在免疫系统的精密调控中，T细胞受体（TCR）的多样性是适应性免疫应答的核心。传统理论认为，TCRβ链的V(D)J重排严格遵循"12/23规则"和"D-J重排先于V-(D-J)重排"的原则。然而，这种经典理论无法解释TRB基因座中TRBD²（D²）与TRBJ¹（J¹）的重排现象——由于D²与J¹在基因组上的物理位置和RSS（重组信号序列）特性，二者理论上不能直接发生重排。这一科学谜题长期困扰着免疫学家，也限制了对TCR库完整多样性的认识。

为破解这一难题，遵义医科大学的研究团队开展了一项跨物种研究。他们发现哺乳动物TRB基因座末端存在一个独特的反向TRBV³⁰基因（小鼠中为TRBV³¹），可能通过特殊机制介导D²-J¹重排。通过整合单细胞TCR测序（scTCR-seq）和高通量测序（HTS）技术，研究人员系统分析了人类、小鼠、恒河猴、蝙蝠和牛等五种哺乳动物胸腺及外周组织的TRB CDR3库。令人惊讶的是，在所有物种中都检测到显著比例的D²-J¹重排（人类14%、恒河猴24%、蝙蝠15%、牛11%），这些发现彻底颠覆了传统认知。相关成果发表在《BMC Genomics》上，为理解TCR多样性形成机制开辟了新途径。

研究团队采用了多组学整合分析策略。从样本获取来看，包括人类胸腺（7天-35岁不同发育阶段）、小鼠脾脏/胸腺（BALB/c和C57BL/6品系）、恒河猴外周血、蝙蝠脾脏等42个样本。技术层面主要运用：1）5'RACE和多重PCR扩增TRB CDR3序列；2）Illumina HiSeq/NovaSeq平台进行HTS；3）10x Genomics单细胞平台获取scTCR-seq数据；4）通过IMGT/GENE-DB、MiXCR等生物信息学工具进行VDJC基因注释和重组模式分析。质量控制方面，所有序列均需明确鉴定D¹或D²基因身份，包含有功能和无功能序列以全面评估重组特征。

研究结果部分揭示了多项重要发现。在"TRB基因座V、D、J、C基因的位置、顺序和重组规则"中，通过比较13种已注释的哺乳动物TRB基因座，确认其共同具有V(1-29)-D¹J¹C¹-D²J²C²-V30结构，牛科动物还额外存在D³J³C³簇。重要的是，D²的3'D-23RSS与J¹的5'J-12RSS理论上无法直接重组，这为后续特殊重组模式的发现埋下伏笔。

"人类、小鼠、恒河猴、蝙蝠和牛TRB CDR3库中D-J重排的数量和频率"部分展示了突破性数据。在人类样本中，胸腺HTS检测到21.61%的D²基因参与D²-J¹重排，外周血scTCR-seq中这一比例达21.57%。小鼠脾脏HTS显示6.27%的D²-J¹重排，而恒河猴外周血中比例高达29.46%。特别值得注意的是，牛脾脏样本中除检测到11.51%的D²-J¹重排外，还发现22.48%的D²-J³重排，表明这种特殊重组模式在多个DJ簇中普遍存在。

"D²-J¹重排的机制和CDR3序列示例"部分提出了两种创新性机制模型。第一种是反向V30基因优先与D²发生倒位重排（V30-D²），继而与J¹形成V30-D²-J¹重排。第二种是V30优先与D¹重排，使正向V基因（Vx）得以通过倒位重排形成Vx-D²-J¹。单细胞数据中同时存在V30-D¹-J²和Vx-D²-J¹重排的T细胞，为第二种机制提供了直接证据。

在讨论与结论部分，研究强调了三个关键突破。首先，这是首次在多种哺乳动物中系统证实D²-J¹重排的普遍存在（14-24%），打破了"D²仅能与J²重组"的传统认知。其次，提出的两种机制模型完美解释了反向TRBV³⁰如何通过"分子桥梁"作用促成特殊重排，其中V30-D²-J¹约占5%，而Vx-D²-J¹占95%。最后，在牛的三簇DJ结构中发现的D³-J¹和D²-J³重排（11-22%），暗示该机制可能普遍适用于多DJ簇的免疫基因座。

这项研究的科学价值体现在多个维度。理论上，它扩展了V(D)J重排的"12/23规则"，为"超越12/23规则"的特殊重组模式添加了新成员。技术上，scTCR-seq与HTS的联合应用为免疫组学研究建立了新范式。临床应用上，D²-J¹重排产生的特殊CDR3库可能参与自身免疫病或肿瘤免疫的调控，为相关疾病研究提供新靶点。值得一提的是，研究还提出反向TRBV³⁰基因的进化意义、其启动子与转座元件的调控关系等值得深入探索的方向。这些发现不仅填补了免疫遗传学领域的知识空白，也为TCR工程改造和免疫治疗策略开发提供了新思路。