면역 반응 #

외부로부터 침입한 병원체의 항원은 T 세포와 B 세포의 특이적인 수용체인 TCR(T Cell Receptor)과 BCR(B Cell Receptor)에 의해 결합이 된다. BCR은 항원의 단백질 3차 구조 자체를 감지하는 반면, TCR은 단백질 항원의 작은 부분인 펩타이드에 결합한다. 이런 펩타이드의 길이는 짧다는 특징을 갖고 있고, 특정 펩타이드에 결합을 위해 주조직 적합 복합체(Major Histocompatibility Complex, MHC)라는 단백질의 도움이 필요하다.

즉, T 세포의 표면엔 TCR가 존재하고 MHC와 결합하여 항원을 인식하게 되면, T 세포의 clone이 증식 및 분화가 되어 수가 증가하여 면역 반응을 일으키게 된다.

TCR repertories & VDJ recombination #

위와 같은 방법으로 면역 반응은 개인마다 독특하게 작용하게 되는데, 그 이유는 T 및 B 세포가 유전자 재조합의 독특한 메커니즘을 따르기 때문이다.

V(D)J 재조합은 면역 시스템에서 다양한 항체 및 TCR을 생성하기 위해 사용되는 유전적 메커니즘이다. 이 메커니즘은 T 및 B 세포가 성숙의 초기 단계동안 다양한 유전자 세그먼트들을 조합하여 항체, 면역글로불린, TCR을 포함하는 면역 수용체를 만들어내는 과정이다. V, D, J의 의미에 대해 아래에서 하나씩 살펴보자.

여기서 V, D, J는 다음과 같은 의미를 가지고 있다:

• V (Variable): V 영역에는 다양한 염기서열이 존재하며, 항체 또는 TCR의 다양한 V 영역을 생성하는 데 사용된다.
• D (Diversity): D 영역에서는 항체의 경우에는 더 많은 다양성을 추가하기 위해 사용되며, TCR의 경우에는 사용되지 않을 수 있다.
• J (Joining): J는 결합 영역이다. 다양한 V 영역과 결합하여 다양한 면역 수용체의 일부를 형성한다.

V(D)J 재조합은 1차 림프 기관(B 세포가 생성되는 골수 및 T 세포가 생성되는 흉선)에서 발생하고 거의 임의의 방식으로 변수(V)과 결합(J), 경우에 따라선 다양성(D) 유전자 세그먼트의 조합을 나타낸다. 이 과정에서 항원 결합 영역에 새로운 아미노산 서열을 생성되어 박테리아, 바이러스, 기생충 및 벌레를 포함한 거의 모든 병원체를 포함한 항원을 인식할 수 있게 한다.

    간단히 말하자면,

    1. T 세포의 다양한 repertories는 V(D)J의 재조합을 통해 TCR complex를 생성할 수 있다.
    2. αβ chain의 유전적 재조합으로부터 다양한 TCR repertories가 존재하게 된다.
    3. 유전적 재조합이라는 것이 V(D)J recombination 이다.

TCR sequencing #

면역학적으로 특이한 반응을 면역 세포 (T, B)가 존재하는지 알기 위한 여러 면역 프로파일링 방법이 존재한다. 그 중 가장 최신 면역 프로파일링 방법인 TCR sequencing에 대해 알아보자.

TCR sequencing의 방법 #

1. 샘플로부터 T 세포를 추출한다.
2. Raw sequencing reads가 reference set인 V, D, J 유전자 서열에 align 된다.
3. 동일한 서열(V gene, CDR3 amino actid sequence, J gene)을 갖고 있다면 하나의 clonetype으로 분류된다.

Single-cell TCR sequencing approaches #

1. 개별 세포에 대한 TCR 정보: 단일세포 isolation 기술이 발전하게 되면서 각 세포에 대한 TCR 정보를 얻을 수 있다.
2. Rare TCR 탐지: TCR 증폭으로 짝을 이루는 TCRab chaing 정보를 capture하는 것이 가능해지게 되었다. Bulk 시퀀싱에서 발견하기 어려운 중요한 변이나 특성적인 T 세포를 찾는데 유용하다. (Bulk에서는 TCR molecule의 기원이 불분명하기 때문에 짝을 이루는 a, b chain을 찾기 어렵다.)
3. 면역 반응의 개별적 이해: 각 개별 세포의 TCR sequence를 분석함으로 항원에 대한 개별 세포의 반응을 이해할 수 있다. 개별 세포에는 Flow cytometry 처럼 표면 단백질을 특징지을 수 있는 기법이 barcode가 추가됨으로, 특정 항원에 어떤 T 세포들이 반응하는지 알 수 있게 되었고, 해당 반응의 특성을 파악하는데 도움이 된다.

Bulk vs Single-cell TCR sequencing #

참고논문 #

https://www.nature.com/articles/s41592-020-0867-z
https://www.nature.com/articles/s41592-021-01201-8
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2022.858057/full
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667119022000015#fig0004