免疫系统的进化是生物进化过程中极为重要的一环，如果没有适应性免疫系统的进化和形成，就不会有高级的哺乳动物的诞生。适应性免疫应答及调节系统经历了漫长的进化，早在4.5亿年前，软骨鱼便发育出了胸腺，并进化出淋巴细胞亚群关键细胞因子和转录因子的同源基因；3600万年前，硬骨鱼进化出了适应性的淋巴细胞，它们被认为是具有基本效应T细胞群最古老的生物。但是至今适应性免疫应答T和B细胞的多样性、特异性、记忆性的机制并没有完全阐明，且胎盘哺乳动物已经进化出复杂的适应性免疫调控系统（Treg等）。
哺乳动物T细胞的发育过程中，通过胚系基因上可变区基因（V），多样性基因（D）,连接性基因（J）的随机重组，形成极具多样性的TCR受体库，小鼠和人类αβ TCR受体库理论上可达到1015和1018种。目前完整注释TRB基因座的哺乳动物仅有14种（IMGT数据库；其中本课题组完成蝙蝠和水牛的TRB基因座注释）。在所有已注释的哺乳动物胚系基因中，发现一个非常特殊的TRBV30基因，其染色上的物理位置位于TRB 基因座的恒定区基因（C2）的3’端！这个特征要求TRBV30参与重组的方式同正向TRBV基因（1-29）完全不同。按照V(D)J重组的12/23 RSS(重组信号序列)规则，TRBV30是以独特的“倒位重排”方式进行重组（即重组后的RSS等序列依旧保留在染色体上），而TRBV1-29是以“缺失重排”方式进行重组（即重组后的RSS等序列以环出方式，从染色上剪切出去）。我们对此提出的科学问题是：哺乳动物反向TRBV30是进化过程中的“瑕疵”吗？还是反向TRBV30有着“必要性或优势”？
我们通过对已完整注释的种哺乳动物（包括6个目）TRB 基因座中的VDJC基因进行详细的进化对比分析，发现不同的哺乳动物中，反向 TRBV30 基因和对应的RSS 的位置和质量存在较大的差异。相反，正向的TRBV1-29基因和RSSs，与相应物种的种的进化树是基本一致的。这一发现提示，哺乳动物的进化与反向TRBV30基因的进化可能不是同步的，高度保守的反向TRBV30也许在适应性免疫应答中发挥着特殊的生理或病理作用。
为探讨反向TRBV30参与V-DJ重排的方式、效率、形成TCR CDR3组库的特征，我们利用单细胞TCR测序(scTCR-seq)的TCR beta CDR3组库，高通量测序的TCR beta CDR3组库，详细对比分析了灵长类动物(人和猕猴)、啮齿类动物(BALB/c；C57BL/6；昆明小鼠)、偶蹄目动物(黄牛和水牛)和翼翅目动物(中华菊头蝠和大蹄蝠)的中枢和外周组织中，TCR β CDR3组库的详细特征。我们发现:（1） 反向TRBV30基因“倒位重排”方式遵循“12/23 RSS规则”和“D-J重排先于V-(DJ)重排规则”,在CDR3组库数据中，形成了大量对应的V30-D2J2、V30-D1J1和V30-D1J2 的CDR3特征序列。然而，我们也发现了一种“特殊重排模式”，其中V30-D重排先于D-J重排，从而产生出少数V30-D2-J1，以及由此造成少数正向的Vx-D2-J1的CDR3特征序列（这种特征重组方式的详细特征、结果和可能意义，我们拟另文发表）。(2) 同正向V1-V29基因的“缺失重排”(环出)相比，反向V30基因的“倒位重排”方式，表现出显著的优先参与重组！我们详细对比正向TRBV1-29和反向TRBV30基因的RSS的质量，发现TRBV30的RSS质量低于平均评分！说明其优势重排与RSS结合力无关。因此我们进一步提出假设，哺乳动物反向TRBV30的优势参与重组，其机制可能与TRBV30基因与TRBD基因之间的距离更近有关，最有可能的机制是“倒位重排”方式优于“缺失重排”方式。
在本研究的基础上，迫切需要进一步研究的是：（1）哺乳动物反向TRBV30基因参与重组形成的CDR3组库，到底有着怎样的特殊功能？（2）“倒位重排”方式优于“缺失重排”方式的可能机制是什么？（3）在更多的哺乳动物中，对反向TRBV30进行注释和参与重组频率进行验证，进一步阐明反向TRBV30是“瑕疵”还是“优势”。
本研究结果，我们初步认为哺乳动物反向TRBV30进化过程中的高度保守，弥补了哺乳动物无法进行的V30-D2-J1和前向Vx-D2-J1重组的缺陷，从而增加CDR3组库的多样性。同时，TRBV30的优势参与的V30-D2J2、V30-D1J1和V30-D1J2的重组，在增加CDR3组库多样性的同时，有可能发挥特殊的免疫调控作用。本文的这些创新性发现，将有助于进一步开展哺乳动物VDJ重组的具体机制、效率和功能的研究。
本项目获得国家自然科学基金(82160279) 和贵州省高层次人才项目(No. [2018] 5637)的资助。研究结果以“The reverse TRBV30 gene of mammals: A defect or superiority in evolution?”为题，发表于《BMC Genomics》DOI：https://doi.org/10.1186/s12864-024-10632-4（中科院TOP期刊，IF五年=4.1），免疫学2024届研究生吴凤丽和2023届研究生吴颖杰为共同第一作者，姚新生教授为通信作者。
（一审：李俊；二审：覃明；三审：刘晖 图文：姚新生教授课题组）
