Tcr-seq
TCR-Seq ( секвенирование рецепторов Т-клеток ) — это метод, используемый для идентификации и отслеживания конкретных Т-клеток и их клонов. [ 1 ] TCR-Seq использует уникальную природу рецептора Т-клеток (TCR) в качестве готового молекулярного штрих-кода. [ 1 ] Эта технология может применяться как к секвенирования отдельных клеток технологиям , так и к скринингам с высокой пропускной способностью. [ 1 ]
Фон
[ редактировать ]Т-клеточный рецептор (TCR)
[ редактировать ]Т-клетки являются частью адаптивной иммунной системы и играют решающую роль в защите организма от чужеродных патогенов . [ 2 ] Т-клеточные рецепторы (TCR) представляют собой группу мембранных белков, обнаруженных на поверхности Т-клеток и способных связываться с чужеродными антигенами. [ 3 ] TCR взаимодействуют с главными комплексами гистосовместимости (MHC) на поверхности клеток для распознавания антигенов . Они представляют собой гетеродимеры, состоящие преимущественно из α- и β-цепей (реже δ- и γ-цепей). [ 4 ] и состоят из переменной области и постоянной области. Вариабельные области производятся посредством процесса, называемого рекомбинацией VDJ , в результате которого образуются уникальные аминокислотные последовательности для α-, β- и γ-цепей. В результате каждый TCR уникален и распознает определенный антиген. [ 4 ]
Области, определяющие комплементарность (CDR)
[ редактировать ]
Области, определяющие комплементарность (CDR), являются частью TCR и играют важную роль во взаимодействиях TCR-MHC. CDR1 и CDR2 кодируются генами V, тогда как CDR3 образуется из области между генами V и J или между генами D и J ( VDJ »). при совместном упоминании они называются «генами [ 4 ] CDR3 является наиболее вариабельным из CDR и находится в прямом контакте с антигеном. [ 4 ] [ 5 ] Таким образом, CDR3 используется в качестве «области штрих-кода» для идентификации уникальных популяций Т-клеток, поскольку крайне маловероятно, чтобы две Т-клетки имели одинаковую последовательность CDR3, если только они не произошли от одной и той же родительской Т-клетки. [ 4 ] [ 5 ]
Клональность
[ редактировать ]
Рекомбинация VDJ производит такое огромное количество уникальных TCR, что многие рецепторы никогда не сталкиваются с антигеном, для которого они лучше всего подходят. Когда в организме присутствует чужеродный антиген, те немногие Т-клетки, которые распознают этот антиген, подвергаются положительному отбору, так что в организме имеется достаточное количество Т-клеток для обеспечения эффективного иммунного ответа. [ 6 ] Выбранные Т-клетки быстро делятся и дифференцируются в эффекторные Т-клетки посредством процесса, называемого клональной экспансией. [ 7 ] который сохраняет последовательность TCR (включая последовательность CDR3), которая первоначально распознавала антиген [ 8 ]
TCR-Seq использует уникальную природу TCR, в частности CDR3, в качестве молекулярного штрих-кода для отслеживания Т-клеток посредством различных процессов, таких как дифференцировка и пролиферация, [ 9 ] который можно использовать для самых разных целей.
Методы
[ редактировать ]Массовое или одноклеточное секвенирование
[ редактировать ]Секвенирование TCR можно проводить на объединенных популяциях клеток («объемное секвенирование») или на отдельных клетках (« секвенирование отдельных клеток »). [ 4 ] Массовое секвенирование полезно для изучения всего репертуара TCR — всех TCR в пределах индивидуума или образца — и для проведения сравнений между репертуарами разных индивидуумов. [ 4 ] Этот метод позволяет секвенировать миллионы клеток за один эксперимент. [ 5 ] Однако одним из основных недостатков является то, что массовое секвенирование не может определить, какие цепи TCR соединяются вместе, а только частоту внутри репертуара. Большое количество отобранных TCR также означает, что TCR с более низким содержанием могут быть не обнаружены. [ 5 ] Секвенирование отдельных клеток может определить пары цепей TCR, что делает их более полезными для идентификации конкретных TCR. [ 4 ] [ 5 ] К основным недостаткам этого метода относятся его высокая стоимость, [ 4 ] ограниченная емкость в несколько тысяч ячеек, [ 5 ] и необходимость живых клеток, которые может быть сложнее получить [ 4 ]
Целевые последовательности
[ редактировать ]Любая цепь TCR может быть секвенирована, хотя чаще выбирают α- и β-цепи из-за их обилия в популяции Т-клеток. [ 4 ] В частности, β-цепь представляет интерес из-за ее большего разнообразия и специфичности по сравнению с другими цепями. Наличие компонента гена D в β-цепи, которого нет в α-цепи, позволяет создавать более разнообразные комбинации. [ 4 ] [ 10 ] Кроме того, β-цепи уникальны для каждой Т-клетки, что можно использовать для идентификации различных популяций Т-клеток в образце. [ 4 ] [ 5 ] [ 10 ]
Чтобы выполнить секвенирование TCR, амплификацию полимеразной цепной реакции (ПЦР) проводят в области CDR3 как меру уникальных Т-клеток в популяции. [ 4 ] [ 10 ] Область CDR3 выбрана вместо CDR1 и CDR2, поскольку она непосредственно отвечает за взаимодействие антигенов. [ 4 ] [ 10 ] и, как правило, уникален для TCR одной и той же линии, что позволяет идентифицировать отдельные популяции. [ 10 ]
Подготовка библиотеки
[ редактировать ]
Целью этого шага является создание библиотеки транскриптов для секвенирования. Существует 3 основных способа создания библиотеки для секвенирования TCR.
Мультиплексная ДНК
[ редактировать ]Мультиплексная ПЦР может применяться как к геномной ДНК (гДНК) , так и к РНК , преобразованной в двухцепочечную комплементарную ДНК (кДНК) . [ 4 ] Пулы праймеров с парами праймеров, нацеленными на аллели J и V, используются для амплификации области CDR3 транскрипта TCR. [ 4 ] [ 10 ] Транскрипт проходит два или более раунда ПЦР для амплификации интересующей области, затем на оба конца полученного транскрипта лигируются адаптеры. [ 10 ] Этот метод является одним из наиболее часто используемых при создании библиотек для TCR-seq, поскольку он позволяет охватить большую часть разнообразия TCR через пул праймеров. [ 4 ] [ 10 ] Однако, поскольку практически невозможно оптимизировать условия ПЦР для всех праймеров в пуле, мультиплексная ДНК может привести к ошибке амплификации, когда некоторые области CDR3 с праймерами, которые плохо связываются, могут не амплифицироваться. [ 5 ] [ 10 ] Это означает, что количество амплифицированных сегментов может не соответствовать фактическому содержанию внутри клетки. [ 5 ] [ 10 ]
Целевое обогащение в растворе
[ редактировать ]В этом методе можно использовать геномную гДНК или РНК, преобразованную в кДНК. [ 4 ] [ 10 ] Исходный материал сначала обрабатывается для создания транскриптов ДНК или кДНК с индексированными адаптерами на 5'- и 3'-концах. [ 4 ] Эти транскрипты затем инкубируются с РНК-приманками, предназначенными для связывания с интересующими областями, которыми обычно является область CDR3. [ 4 ] Эти приманки, которые обычно прикреплены к магнитным шарикам, можно изолировать с помощью магнита. Это позволяет выделить транскрипты области CDR3, которые затем можно амплифицировать с помощью ПЦР. [ 4 ] Целевое обогащение с использованием РНК-приманок требует меньшего количества этапов ПЦР-амплификации, что может уменьшить погрешность амплификации. [ 4 ] Однако эффективность захвата магнитами может влиять на разнообразие амплифицированных транскриптов.
5'-РАСА
[ редактировать ]Быстрая амплификация концов кДНК (RACE) — это метод, который использует транскрипты РНК для создания библиотеки. [ 4 ] [ 10 ] [ 11 ] Хотя RACE можно применять с 3'- или 5'-концом, 5'-конец чаще используется для TCR-seq. [ 4 ] Этот метод основан на добавлении к транскрипту общей 5'-адаптерной последовательности, что можно сделать несколькими различными способами. [ 11 ] [ 12 ] Один из способов — добавить адаптер после обратной транскрипции . Во время генерации обратной цепи ДНК из матрицы РНК прямой праймер добавляет последовательность, комплементарную 5'-адаптеру, что приводит к переключению матрицы. [ 4 ] [ 10 ] [ 11 ] Это позволяет включить 5'-адаптер в кДНК при образовании комплементарной последовательности. [ 4 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] Праймеры могут быть разработаны для амплификации всей области от адаптера до константной области. [ 4 ] [ 10 ] [ 11 ] затем лигирование адаптера можно выполнить во второй реакции ПЦР. Поскольку теперь все различные транскрипты используют один и тот же адаптер, их можно амплифицировать с использованием одной пары праймеров. Таким образом, этот метод уменьшает погрешность амплификации и улучшает способность обнаруживать более необычные популяции TCR с большей уверенностью. [ 4 ] [ 10 ] [ 11 ] Однако, поскольку уровни транскрипции TCR различаются в разных клетках, этот метод не может обеспечить точное измерение количества различных типов Т-клеток в образце на основе только уровня транскриптов РНК. [ 4 ]
Секвенирование
[ редактировать ]После создания библиотеки продукты можно секвенировать, как правило, с помощью секвенирования следующего поколения (NGS) . [ 4 ] [ 10 ] [ 11 ] Использование машин, способных к более длительному чтению и поддерживающих качество чтения на 3'-конце, важно, поскольку область CDR3 находится на 3'-конце транскрипта длиной примерно 500 пар оснований. [ 10 ]
Частота ошибок NGS представляет собой проблему для анализа репертуаров TCR. [ 4 ] [ 10 ] [ 11 ] Небольшие изменения TCR могут изменить их специфичность по отношению к антигенам. [ 10 ] и как таковые могут представлять интерес для исследователей. Однако ошибки в секвенировании могут привести к незначительным изменениям, которые можно интерпретировать как низкочастотную, отдельную популяцию TCR. [ 10 ] что является проблемой при анализе изменений в репертуаре TCR. Были предприняты усилия по установлению пороговых значений для исключения из анализа данных о низкой численности, а также по разработке алгоритмов для исправления этих ошибок. [ 10 ]
Приложения
[ редактировать ]Как правило, данные, собранные в ходе TCR-seq, используются для сравнения репертуаров TCR либо у одного и того же пациента в разные моменты времени, либо между разными пациентами. [ 4 ] [ 10 ] [ 11 ] Недавние исследования изучили характеристики здорового репертуара и обнаружили высокую степень различий в уровнях и типах β-цепи TCR, хотя подмножество является общим для разных людей. [ 10 ] Однако еще предстоит доказать, что это разнообразие тесно коррелирует с какими-либо интересующими условиями, такими как уровень инфицирования или вероятность рецидива рака. [ 10 ] предполагая, что необходимы дальнейшие исследования.
Инфекционные заболевания
[ редактировать ]Клональная экспансия Т-клеток позволяет иммунной системе бороться с различными инфекционными заболеваниями с высокой специфичностью. [ 13 ] Таким образом, понимание изменений, которые происходят в репертуаре Т-клеток после инфицирования, может помочь в ранней диагностике, мониторинге заболевания и разработке методов лечения. [ 5 ]
Синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД) — разрушительное заболевание, вызванное инфекцией вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) , которое приводит к гибели CD4+ Т-клеток. [ 14 ] и дисфункциональные CD8+ Т-клетки. [ 5 ] Недавние исследования показали, что увеличение разнообразия TCR может уменьшить разнообразие ВИЧ и ограничить прогрессирование заболевания. [ 5 ] [ 15 ] Секвенирование TCR также позволит улучшить понимание прогрессирования СПИДа и прогнозировать заболеваемость. [ 5 ] Кроме того, секвенирование репертуара TCR у людей с естественной защитой от инфекции СПИДа. [ 16 ] может помочь в разработке вакцины, ограничивающей дальнейшее распространение болезни [ 5 ]
Рак
[ редактировать ]Рак – это неконтролируемое размножение злокачественных клеток, которые могут распространиться по всему организму. [ 17 ] Это вызвано мутациями внутри раковой клетки, которые часто приводят к экспрессии мутантных белков, называемых неоантигенами . [ 5 ] [ 17 ] Идентификация этих неоантигенов имеет большую терапевтическую пользу, поскольку их можно использовать для воздействия на раковые клетки, не повреждая нормальные клетки. Поскольку CD8+ Т-клетки могут распознавать некоторые неоантигены в своих TCR, секвенирование репертуара TCR может помочь идентифицировать потенциальные биомаркеры рака . [ 5 ] Помимо идентификации биомаркеров, секвенирование репертуара TCR может также отслеживать изменения в прогрессировании рака, оценивать реакцию на иммунотерапию , [ 18 ] и оценить микроокружение опухоли на наличие условий, которые могут сделать возможным рост рака. [ 5 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Пай, Джой А.; Сатпати, Ансуман Т. (август 2021 г.). «Высокопроизводительные технологии секвенирования одноклеточных Т-клеточных рецепторов» . Природные методы . 18 (8): 881–892. дои : 10.1038/s41592-021-01201-8 . ISSN 1548-7105 . ПМЦ 9345561 . ПМИД 34282327 .
- ^ Маршалл, Джин С.; Уоррингтон, Ричард; Уотсон, Уэйд; Ким, Гарольд Л. (12 сентября 2018 г.). «Введение в иммунологию и иммунопатологию» . Аллергия, астма и клиническая иммунология . 14 (2): 49. дои : 10.1186/s13223-018-0278-1 . ISSN 1710-1492 . ПМК 6156898 . ПМИД 30263032 .
- ^ «Т-клеточный рецептор» . www.cancer.gov . 2 февраля 2011 г. Проверено 28 февраля 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В х и С аа аб и объявление но из в Розати, Элиза; Даудс, К. Мари; Ляску, Евагелия; Хенриксен, Ева Кристин Клемсдал; Карлсен, Том Х.; Франке, Андре (10 июля 2017 г.). «Обзор методологий анализа репертуара Т-клеточных рецепторов» . БМК Биотехнология . 17 (1): 61. дои : 10.1186/s12896-017-0379-9 . ISSN 1472-6750 . ПМК 5504616 . ПМИД 28693542 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д Маццотти, Люсия; Гаймари, Анна; Браваччини, Сара; Мальтони, Роберта; Черчионе, Клаудио; Хуан, Манель; Наварро, Европа Асусена-Гонсалес; Пасетто, Анна; Насименто Силва, Даниэла; Анкарани, Валентина; Самбри, Витторио; Калабро, Луана; Мартинелли, Джованни; Мацца, Массимилиано (2 августа 2022 г.). «Секвенирование репертуара Т-клеточных рецепторов и его применение: фокус на инфекционных заболеваниях и раке» . Международный журнал молекулярных наук . 23 (15): 8590. doi : 10.3390/ijms23158590 . ISSN 1422-0067 . ПМЦ 9369427 . ПМИД 35955721 .
- ^ Эбботт, Джоэл Д.; Болл, Джин; Бумпас, Димитриос; Бриджес, Стэнли Луи, ред. (2004), «Клональная экспансия» , Ревматология и иммунологическая терапия , Берлин, Гейдельберг: Springer, стр. 226–227, doi : 10.1007/3-540-29662-x_700 , ISBN 978-3-540-29662-1 , получено 28 февраля 2023 г.
- ^ Кумар, Брахма В.; Коннорс, Томас; Фарбер, Донна Л. (20 февраля 2018 г.). «Развитие, локализация и функционирование Т-клеток человека на протяжении всей жизни» . Иммунитет . 48 (2): 202–213. doi : 10.1016/j.immuni.2018.01.007 . ISSN 1074-7613 . ПМЦ 5826622 . ПМИД 29466753 .
- ^ Хуан, Хуан; Сикора, Майкл Дж.; Ислам, Сайфул; Чоудхури, Рошни Рой; Цзянь, Юэ-сю; Скриба, Томас Дж.; Дэвис, Марк М.; Штайнмец, Ларс М. (30 апреля 2019 г.). «Выборочное секвенирование клонально размноженных CD8 + Т-клеток выявляет пределы клональной экспансии» . Труды Национальной академии наук . 116 (18): 8995–9001. Бибкод : 2019PNAS..116.8995H . дои : 10.1073/pnas.1902649116 . ISSN 0027-8424 . ПМК 6500157 . ПМИД 30992377 .
- ^ Паукен, Кристен Э.; Лагаттута, Кейтлин А.; Лу, Бенджамин Ю.; Лукка, Лилиана Э.; Дауд, Адиль И.; Хафлер, Дэвид А.; Клюгер, Харриет М.; Райчаудхури, Сумья; Шарп, Арлин Х. (01 марта 2022 г.). «TCR-секвенирование при раке и аутоиммунитете: штрих-коды и не только» . Тенденции в иммунологии . 43 (3): 180–194. дои : 10.1016/j.it.2022.01.002 . ISSN 1471-4906 . ПМЦ 8882139 . ПМИД 35090787 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В х и Вудсворт, Дэниел Дж.; Кастелларин, Мауро; Холт, Роберт А. (2013). «Анализ последовательностей репертуара Т-клеток в здоровье и болезни» . Геномная медицина . 5 (10): 98. дои : 10,1186/гм502 . ISSN 1756-994Х . ПМК 3979016 . ПМИД 24172704 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Пай, Джой А.; Сатпати, Ансуман Т. (август 2021 г.). «Высокопроизводительные технологии секвенирования одноклеточных Т-клеточных рецепторов» . Природные методы . 18 (8): 881–892. дои : 10.1038/s41592-021-01201-8 . ISSN 1548-7105 . ПМЦ 9345561 . ПМИД 34282327 .
- ^ Jump up to: а б Йеку, Оладапо; Фроман, Майкл А. (2011). «Быстрая амплификация концов кДНК (RACE)» . РНК . Методы молекулярной биологии. Том. 703. С. 107–122. дои : 10.1007/978-1-59745-248-9_8 . ISBN 978-1-58829-913-0 . ISSN 1940-6029 . ПМИД 21125486 .
- ^ Кун, Рафаэль; Санду, Иоана; Аграфиотис, Андреас; Хун, Кай-Лин; Шлезингер, Даниэль; Неймайер, Дэниел; Мерклер, Дорон; Оксениус, Аннетт; Редди, Сай Т.; Ерманос, Александр (2022). «Клонально размноженные вирусспецифичные Т-клетки CD8 приобретают разнообразные транскрипционные фенотипы во время острых, хронических и латентных инфекций» . Границы в иммунологии . 13 : 782441. дои : 10.3389/fimmu.2022.782441 . ISSN 1664-3224 . ПМЦ 8847396 . ПМИД 35185882 .
- ^ Уэймак, Джеймс Р.; Сундарешан, Видья (2022 г.), «Синдром приобретенного иммунодефицита» , StatPearls , Остров сокровищ (Флорида): StatPearls Publishing, PMID 30725978 , получено 28 февраля 2023 г.
- ^ Пилкинтон, Марк А.; Макдоннелл, Вятт Дж.; Барнетт, Луиза; Чопра, Абха; Гангула, Рама; Уайт, Кэти Д.; Лири, Шей; Курренти, Дженнифер; Гаудьери, Сильвана; Маллал, Саймон А.; Каламс, Спирос А. (25 марта 2021 г.). «При хронической инфекции разнообразие рецепторов CD4+ Т-клеток, специфичных для вакцины ВИЧ, выше, чем разнообразие рецепторов Т-клеток CD8+, и связано с меньшим разнообразием квазивидов ВИЧ» . Журнал вирусологии . 95 (8): e02380–20. дои : 10.1128/JVI.02380-20 . ISSN 0022-538X . ПМЦ 8103689 . ПМИД 33536169 .
- ^ Кервеван, Жером; Чакрабарти, Лиза А. (07 января 2021 г.). «Роль CD4+ Т-клеток в контроле вирусных инфекций: последние достижения и открытые вопросы» . Международный журнал молекулярных наук . 22 (2): 523. doi : 10.3390/ijms22020523 . ISSN 1422-0067 . ПМЦ 7825705 . ПМИД 33430234 .
- ^ Jump up to: а б Ханахан, Дуглас; Вайнберг, Роберт А. (04 марта 2011 г.). «Признаки рака: следующее поколение» . Клетка . 144 (5): 646–674. дои : 10.1016/j.cell.2011.02.013 . ISSN 0092-8674 . ПМИД 21376230 . S2CID 13011249 .
- ^ Касаррубиос, М; Крус-Бермудес, А; Надаль, Э; Инса, А; Гарсиа Кампело, MDR; Лазаро, М; Домин, М; Маджем, М; Родригес-Абреу, защитник; Мартинес-Марти, А; де Кастро-Карпеньо, Дж; Кобо, М; Лопес-Виванко, Г; Дель Барко, Э; Бернабе Каро, R; Виньолас, Н.; Барнето Аранда, я; Витери, С; Массути, Б; Баркин, М; Лаза-Бривьеска, Р.; Сьерра-Родеро, Б; Парра, ER; Санчес-Эспиридион, Б; Роча, П; Кадара, Х; Вистуба, II; Ромеро, А; Лысый, В; Провенсио, М. (1 ноября 2021 г.). «Равномерность репертуара TCR тканей перед лечением связана с полным патологическим ответом у пациентов с НМРЛ, получающих неоадъювантную химиоиммунотерапию» . Клинические исследования рака . 27 (21): 5878–5890. дои : 10.1158/1078-0432.CCR-21-1200 . ПМЦ 9401519 . ПМИД 34376534 .