《Immunological Reviews》：The Structure of Vertebrate Antigen Receptor Repertoires: An Evolutionary Perspective
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在脊椎动物适应性免疫系统中，体细胞多样化的抗原受体在自我/非我识别（self/nonself discrimination）中扮演核心角色。为了证明在脊椎动物进化的早期阶段存在一个独特但未知的选择环境，这种能力出现了两次，分别出现在无颌和有颌脊椎动物的祖先中。
在脊椎动物适应性免疫系统中，体细胞多样化的抗原受体在自我/非我识别（self/nonself discrimination）中扮演核心角色。为了证明在脊椎动物进化的早期阶段存在一个独特但未知的选择环境，这种能力出现了两次，分别出现在无颌和有颌脊椎动物的祖先中。因此，不完整的抗原受体基因的分子结构及其组装成功能基因的模式在这两个脊椎动物姐妹群中是不同的。适应性免疫似乎是逐步进化的，用免疫学上有利的抗原受体库多样性来换取潜在的破坏性自我识别的固有风险。最初，相关的质量控制机制主要是细胞自主的（cell-autonomous），并基于进化选择的用于组装的单个组分的序列组成。在后期阶段，多样性与新兴的细胞非自主（cell-nonautonomous）质量控制策略同步增加：初级淋巴器官在空间和时间上耦合了库的发育和自我反应性评估；调节性细胞类型出现，以在外周控制自我反应性克隆。在这篇综述中，研究人员讨论了处于系统发育树关键位置的脊椎动物物种的比较研究如何揭示了适应性免疫系统进化过去的痕迹。
1 Introduction
引言介绍了约5.5亿年前早期脊椎动物进化出全新的免疫系统，涉及新型细胞系（如淋巴细胞）、组织类型（如初级淋巴器官）以及细胞类型特异性的基因组修饰（胞苷脱氨酶和RAG重组酶）。与基于种系编码成分的先天免疫不同，体细胞生成的结构多样抗原受体库的克隆表征成为这种革命性免疫的关键特征。古老先天和新型适应功能协同进化，各自在免疫防御和组织稳态中发挥非冗余作用。免疫缺陷（如慢性肉芽肿病、原发性抗体缺陷、网状组织发育不全）展示了这种非冗余性。然而，大部分脊椎动物中先天与适应功能共存，但深海琵琶鱼完全取消了适应性免疫，依赖重构和增强的先天免疫，体现了脊椎动物免疫系统的惊人可塑性。
2 Origin of Somatic Diversification
体细胞多样化的起源仍属推测。一种假说认为它进化以管理随内外表面复杂性增加的微生物组，原发性免疫缺陷中的菌群失调支持此观点。从进化角度看，种系编码的先天免疫成分在进化时间尺度上受达尔文选择，避免与自身结构发生生理相关相互作用，同时保留对非自身成分的识别能力。相反，体细胞生成的受体需要额外的质量控制，包括通过删除表达不良受体特异性的克隆或专门的抑制机制来消除自身反应性。达尔文选择也塑造了体细胞多样化过程：它决定了遗传元件（如无颌和有颌脊椎动物中抗原受体的多种同种型）的种类、数量和序列组成；并促进了基因组修饰因子的驯化（如将古老整合酶转化为V(D)J重组中的重组酶）。此外，为了抑制自身破坏潜力，达尔文选择促进了“双重用途”淋巴组织（如胸腺）的出现，将淋巴细胞生成与质量控制整合，以及外周调节性细胞类型的出现。是否某些分子机制被重新利用或从头进化尚不清楚，例如MHC肽呈递系统可能被提议为重新利用的性选择装置。
3 Step-Wise Elaboration of the Somatic Diversification Process
体细胞多样化过程逐步精细化。初始多样性低，足以提供选择优势但未造成有害免疫病理。无颌脊椎动物的VLR型受体和有颌脊椎动物的V(D)J型受体均起源于破坏祖先基因连续性的不同突变事件。VLR系统由血小板糖蛋白受体样基因插入，导致所有后代种系不完整，需通过基因转换样过程利用富含亮氨酸重复（LRR）编码基因组盒进行体细胞组装。V(D)J型受体的创始成员源于转座子插入细胞表面受体胞外域外显子，切除后留下小“疤痕”。随后重复被破坏的外显子，形成V和J样序列，允许更大多样性。在受体多样性达到一定程度前，细胞自主质量控制可能足够，这为早期脊椎动物提供了“宽限期”，期间初级淋巴器官可能获得细胞非自主质量控制能力，如将外周自身抗原呈递给发育中的淋巴细胞。因此，中央耐受机制（与淋巴细胞分化位点时空关联）可能比外周耐受机制更古老。进化后期，出现了额外的细胞内在质量控制，如VpreB和Lambda5轻链替代物与免疫球蛋白重链配对形成preBCR，以及preTα链与TCRβ链配对，用于测试受体链正确折叠和信号传递。对于VLRs，是否也需类似关联尚待研究。质量控制有两个目的：抑制体细胞组装受体库的自身破坏潜力，并限制代谢投资，通过建立淋巴细胞分化检查点避免非功能或有害效应细胞及自身免疫反应。
4 A Systems Level View of Adaptive Immunity
体细胞多样化过程受达尔文选择塑造，但非完全决定；个体发育中的体细胞质量控制机制已进化以避免或减轻自身反应风险。尽管受体库结构不完全可预测，近期工作质疑了无限多样性的假设。比较研究有望识别进化可塑成分，如受体多样性必须考虑个体水平因素（栖息地结构、病原体暴露、种群大小、寿命、体型、繁殖策略等），这些因素影响适应性免疫需求，并直接塑造体细胞组装和后组装质量控制机制的进化趋势。表1总结了进化可塑方面，包括组合多样性、连接多样性、后组装修饰等参数。
5 The Assembly Process of VLR Antigen Receptors in Jawless Vertebrates
目前已知六种VLR同种型，五种在T细胞系，一种在B样细胞。VLR受体由富含亮氨酸重复（LRR）模块组成，包括N端帽、短LRR1、可变数量24个氨基酸的LRR、连接肽、C端帽和恒定茎区。种系中所有VLR基因不完整，编码部分N和C端片段。发育淋巴细胞中，胞苷脱氨酶活性支持基因转换样过程，将缺失元件拷贝入种系基因。VLR组装是组合过程，尚未描述连接多样性或组装后修饰，因此多样性完全取决于组装的元件类型和数量。由于所有元件种系编码，理论上可预测组装结果和受体-配体特异性。基因转换受序列互补性约束，鉴于大量LRR和盒共享，VLR序列多样性被认为很大，但尚无全面研究。不同七鳃鳗和盲鳗物种体型差异显著，可能影响多样性比例。T样VLR的大小分布呈中心分布，而VLRB呈泊松分布，前者归因于选择过程，可能发生在七鳃鳗胸腺等价物中。外周VLR库可能涉及类似中央耐受的选择过程，但机制未知。由于组合多样化导致可预测特异性，所需的细胞非自主质量控制可能比有颌脊椎动物要求低。
6 The Assembly Process of Antigen Receptors in Jawed Vertebrates
TCR和BCR基因种系不完整，需RAG重组酶进行体细胞组装。V(D)J重组并非随机，受可变（V）、多样性（D）、连接（J）元件的可及性、位置和方向影响。选择扫荡影响V区基因数目和序列多样性；物种特异性RSS序列变异（七聚体、非九聚体、间隔序列及侧翼编码序列）也决定重组结果。这些参数（从染色质可及性到RSS序列）受进化选择，影响RAG介导的重组类型（定向扫描或扩散连接）。与VLR不同，抗原受体序列多样性不仅由组合机制决定，还由连接多样性主导。RAG诱导双链断裂后，编码端经外切核酸酶降解去除种系核苷酸，同时可添加模板依赖（P核苷酸）或非模板依赖（N核苷酸）的核苷酸，后者有特定核苷酸偏好。结果，包含连接区的互补决定区3（CDR3）在一定程度上不可预测，但受微同源性（短序列相同段）约束，尤其在TdT不表达时。连接序列形成配体结合表面的一部分，因此受体特异性不完全可预测，导致质量控制机制更复杂。
7 Challenges Associated With Experimental Analysis of Antigen Receptor Diversity
目前尚无任何物种的全面抗原受体库分析。体型差异显著（最小10mg至最大200吨），即使小鼠也未完全表征。组织分布差异（如不同淋巴细胞类型分布）使比较复杂，常基于不同身体区室（脾、外周血）且假设免疫器官生理学可比，但情况并非如此，尤其跨分支比较时。不同抗原受体基因的组装模式差异（如TdT活性在发育和物种特异性方式中调节）也带来问题。技术难题包括：悬浮细胞易得，组织驻留细胞难处理；不同淋巴细胞类型mRNA含量差异影响测序库代表性；CDR3区短读长易测，但体细胞超突变需长读长；VLR多样性的完整评估需长达1.5kb读长。
8 Quantification of Antigen Receptor Diversity
理想情况下需全面测定整个库，并与种系序列比较以揭示元素使用、配对偏好、后组装修饰（受体编辑、体细胞超突变）及克隆结构。早期理论多样性计算远超淋巴细胞数，暗示个体库私有。但高通量测量显示人类CD8+ T细胞受体库中任何两个个体间CDR3序列重叠比预期大7000倍，且与HLA匹配程度无关，表明重组过程留下印记。转基因小鼠研究也显示物种特异性差异。信息论方法中的熵（平均信息量）可用于多样性估计，因其加权实际使用频率，避免了原始计算忽略重组偏差的缺陷。互信息可量化V和J段已知后CDR3区的额外随机性（条件熵），从而用同一指标比较组合和连接多样性的相对贡献，尤其适用于跨物种比较。
9 Antigen Receptor Repertoires of the Smallest Vertebrate
最小脊椎动物minifish（Paedocypris spp.）拥有经典抗原受体（四种TCR基因及Ig重链和轻链基因），但仅约50,000个淋巴细胞，允许近乎全面的基因库评估。与同属鲤科的斑马鱼相比，minifish的TCRα、TCRβ和IgH位点V和J基因元素显著减少，且个体间重叠序列（公共克隆）比例远高于预期。这表明在有限表达能力下，抗原受体表现出高度混杂性以容纳潜在配体结构多样性，并引发关于初级库删除/修剪程度及交叉反应相关自身反应风险如何管理的疑问。
10 Evolutionary Footprints in the V(D)J Recombination Process
通过比较斑马鱼和大象，发现了不同的V(D)J重组策略。斑马鱼TCRα组装以微同源性导向重组为特征，短相同序列存在于V和J编码端，减少连接多样性，CDR3序列高度可预测；大象则表现出高连接多样性，V-J重叠罕见，非模板核苷酸添加达3个氨基酸。斑马鱼约98%的TCRα连接有3个或更少插入，而大象需19个核苷酸描述98%序列。熵值方面，斑马鱼TCRα总熵约17 bits，大象约27 bits，差异主要来自种系独立贡献（连接多样性）。TCRβ组装类似：斑马鱼中D元素几乎总是可识别，无N区域；大象中D序列贡献明显，但非模板序列延伸显著。数据表明，外切核酸酶活性和TdT介导的添加在进化较古老物种（如斑马鱼）中贡献较小，而在哺乳动物中占主导。硬骨鱼类的低熵特征独立于体重，可能是该分支特征。微同源性被认为是V(D)J重组奠基转座子插入事件的靶位点重复残留，当编码端修饰受限时主导重组结果。TdT（可能还有外切核酸酶）活性在适应性免疫后期被招募，此时质量控制允许更高水平的抗原结合表面不可预测性。
11 Antigen Receptor Repertoires in Context
脊椎动物体型差异跨度超过10个数量级，淋巴细胞数可能随体型缩放，但淋巴组织结构（如脾、淋巴结）存在差异。尽管解剖差异，minifish中抗原受体克隆的频率-等级分布遵循幂律，且与受体同种型无关，此前在哺乳动物中也有描述。这种自相似性（分形维度）在TCRα和TCRβ组装中在大象和斑马鱼中非常相似，尽管体重相差约10
7倍，且七鳃鳗VLRB库也遵循幂律，表明这是体细胞组装抗原受体库的普遍属性。TCRα与TCRβ熵值比率相对恒定（约0.7-0.76），TCRβ贡献更大，提示TCRα可能类似模式识别受体，与非特异性抗原相互作用，而TCRβ提供精细分化。进化早期可能以半不变异源二聚体为主，后期被经典可变受体组合掩盖。minifish中公共克隆与私有部分高度连接，且硬骨鱼中公共克隆比例远高于哺乳动物，反映重组模式差异。总熵与体重相关，但哺乳动物总熵高于硬骨鱼，且同一体重下多样性不同，引发最小多样性问题。SCID-X1患者中约1/10的TCRβ库多样性可维持长期稳定。硬骨鱼免疫反应可能更多依赖公共克隆，而哺乳动物免疫反应多为私有。
