2026年6月，哈佛、大阪大学联合多国科研团队在《Nature Communications》发表研究，聚焦人类T细胞受体（TCR）种系基因多样性。研究依托2719份多族群受试者测序数据，搭建完整TCR等位基因参考图谱，填补该领域研究空白。研究证实TCRα链基因受多样化、平衡、正向三重自然选择，不同族群等位基因频率差异显著；同时发现基因多态性可直接调控T细胞分化与膜受体表达，证明先天TCR遗传变异是造成个体免疫应答差异的核心关键。
摘要
T细胞受体（TCR）是适应性免疫的核心分子，但其基因座序列重复、结构复杂，长期难以系统解析相关人类遗传变异。本研究整合两大公共长读长测序数据集，纳入2719名供体，搭建近乎完整的TCR V/D/J常见等位图谱，证实V基因几乎所有氨基酸位点均存在变异。研究发现诸多TCR基因等位频率存在人群分化，且TCR基因受自然选择调控，α链基因座兼具平衡、正向选择特征；这类等位多态可调控T细胞胸腺分化、膜受体丰度等核心功能，说明TCR可遗传变异是免疫多样性关键来源，直接造成人群免疫应答个体化差异。
引言
HLA基因座是受演化塑造最显著的基因组区域，病原体压力使其形成丰富遗传多态，也是疾病关联位点最密集的区段。但抗原呈递仅为免疫应答一环，TCR识别抗原-HLA复合物才是T细胞活化关键；TCR多数序列由生殖系V/D/J基因编码，其编码残基直接决定抗原结合特性，相关变异或引发个体免疫能力分化。TCR三大基因座存在大量高度相似重复序列，短读长测序难以解析，过往相关研究样本规模极小，也缺乏完整变异参考图谱，制约相关疾病遗传研究。依托长读长测序技术，本研究纳入2719名受试者，全面解析TCR V/D/J基因遗传多样性，证实该多态经自然选择演化形成、可调控T细胞核心功能，确立生殖系TCR变异是免疫多样性的重要核心来源。
方法
一、TCR等位基因挖掘与鉴定体系
1.测序数据来源与质控：研究依托人类泛基因组参考联盟、美国国立卫生研究院“全民健康计划”两大公共数据集的PacBio HiFi长读长测序数据，本研究整合两大国际公共队列，纳入2719名全球受试者。受试者覆盖非洲、美洲、东亚、欧洲、南亚五大主流人类族群。严格剔除质控不合格、亲缘关系过近的样本，结合标准化人群祖先分型信息开展后续分析，保障样本数据的可靠性与规范性（Fig.1A-D)。
Fig.1是TCR胚系等位基因多样性研究核心结果概览，含研究框架、样本饱和曲线、等位统计与V基因频率图，证实2719例样本可充分捕获变异，发掘大量数据库缺失 V/J 新等位，清晰揭示 TCR 基因分层多态与人群特异性遗传特征。
2.标准化等位挖掘流程：研究选用完整性更优的T2T-CHM13v2.0参考基因组，规避传统GRCh38基因组TRBV基因序列缺失的缺陷。基于高精度单倍型从头组装基因组，筛选高可信度、长片段无重叠的基因序列作为候选等位，同时设定严格测序读段支撑标准，双重保障等位序列的真实性与准确性。
3.双维度等位命名规则：在传统IMGT规范基础上建立两套等位判定体系，单域等位仅依据核心编码区差异划分，贴合通用研究标准；创新构建双域等位体系，纳入前导序列、剪接位点、重组信号序列等非编码调控区域，更全面覆盖可影响TCR基因功能的遗传变异(Fig.2A-F)。
Fig.2是TCR V基因序列多样性与理化特征解析，从进化、氨基酸序列、蛋白理化特征三层解析TCR V等位变异，证实新等位均匀分布、框架区存在大量功能性变异，打破仅CDR区决定抗原识别的传统认知。
4.等位功能注释与多组学验证：利用专业工具从开放阅读框、重组信号、剪接位点等多维度判定TCR等位的功能完整性，区分功能性与无功能等位。同时整合多项大规模单细胞TCR测序数据集，通过转录组层面的严格匹配标准独立验证新发现等位的真实表达，排除测序与组装误差。
5.精准量化等位频率与种群多样性：采用条件概率算法计算等位基因频率，排除结构变异、半合子状态的干扰，保证频率数据精准可靠。通过米氏曲线拟合稀疏曲线(Fig.3A)估算人群常见等位理论总量，并借助香农熵、Fst群体分化指数，量化不同基因、不同人群的TCR遗传多样性与种群分化特征(Fig.3B-D)。
Fig.3是TCR基因的族群遗传分化与等位基因频率差异，解析TCR等位的人群分化特征：a的PCA图显示AFR、EAS、EUR等五大族群TCR基因型完全分群；b小提琴图证明大量V/J基因Fst分化指数偏高；c、d堆叠柱状图展示TRBV18、TRAJ57等基因等位频率存在显著族群差异。表示不同地域病原压力驱动TCR等位形成清晰人群遗传分化，TCR基因型可区分人群祖先来源。
6.个体功能性等位差异分析：筛选基因组完整覆盖核心TCR基因座的样本，统计个体功能性TCR等位数量。通过最小二乘线性回归结合Shapley值分解，精准拆解功能缺失负荷、基因杂合度等因素对个体等位数量差异的贡献占比。
二、演化遗传学分析方法
1.统一数据预处理体系：采用流程标准化的公共联合变异数据集，完成变异检测、位点质控筛选与单倍型定相，严格过滤低质量、低频、高缺失率变异，为演化分析提供高质量数据基础。
2.多维度选择信号检测：运用多重权威算法系统解析TCR基因的演化压力，通过演化混合效应模型检测密码子水平的歧化选择；依托BetaScan算法、Tajima’s D值验证平衡选择信号，并结合抗原数据库与统计检验解析靶基因的抗原结合功能特征。同时利用iSAFE、iHS、XP-EHH、Fst等多项指标(Fig.4-6)，精准筛选人群特异性正向选择变异与连锁候选功能位点。
Fig.4是TCR基因区域自然选择信号的多维度解析，图a箱线图显示TCR J区（TRAJ37）平衡选择信号突出；b、c分布直方图证明该位点Tajima’s D、香农熵在各人群均偏高；d-f的iSAFE、Fst、XP-EHH图证实TRA区段存在东亚人群特异性正向选择信号。这张图表示了TCR α链受强烈自然选择，TRAJ37维持多等位共存，东亚人群 TRA区域存在独特适应性进化印记。
Fig.5是基因非功能等位基因的特征与族群分布解析，图a柱状图显示 TRAV、TRBV携带失活等位比例远高于 J 基因；b、c密度图体现个体功能性V等位数量显著多于J等位；d展示TRAV26-1等失活等位频率存在明显人群差异。表示TCR V基因冗余度更高，易积累失活变异，这类功能缺失等位在不同族群频率分化明显，关联人群免疫易感差异。
Fig.6是TCR V基因等位变异对T细胞表型的功能调控，图a曼哈顿图筛选出多个显著调控CD8+T细胞分化的V等位，柱状图显示TRAV14、TRBV18不同等位对应的CD8阳性细胞比例差异显著；图b证实TRAV8-6等位可显著上调CD3与TCR膜表达量。表示了TCR胚系等位在胸腺发育阶段即可调控T细胞谱系分化与受体膜表达水平，直接塑造T细胞基础免疫表型。
三、单细胞表型关联分析体系
1. 创新单细胞分析思路：突破传统个体基因型推断的技术局限，以单细胞为独立分析单元，结合供体随机效应构建混合效应模型，精准解析生殖系遗传变异对T细胞表型的直接因果影响，规避等位缺失、测序偏差带来的实验误差。
2. 严谨的等位分型与筛选标准：基于自建TCR等位参考库完成高精度分型，仅保留生殖系编码区存在稳定差异的基因，剔除体细胞重排干扰的歧义位点，保证等位分型的唯一性与准确性。
3. 多层级数据质控过滤：从样本细胞数量、T细胞双链完整性、克隆型重复性三个维度严格质控，剔除低质量数据与重复克隆样本，消除观测偏差，保障后续表型关联分析结果的科学性与可信度。
结果
一、大规模队列构建高精度TCR等位基因图谱
本研究整合两大权威公共长读长测序数据集，覆盖2719名健康供体，剔除无功能假基因，创新性建立单域、双域两种分辨率的TCR等位基因判定标准。研究共鉴定638个V基因、6个D基因、160个J基因等位，其中数百个为未被数据库收录的新等位，大幅扩充了现有TCR基因等位数据集。同时筛选出数百个人群常见等位，稀疏曲线证实研究捕获了五大人群93%的常见TCR等位基因，实现了人群规模下TCR基因遗传结构的系统性解析，且所有新等位均通过独立单细胞测序数据集验证，真实性可靠。
二、系统揭示TCR基因超高编码多样性特征
TCR V基因的遗传多态性显著高于J基因，且TRA V基因多样性优于TRB V基因，TCR基因座整体SNP密度远超染色体平均水平，非洲裔人群TCR多样性为全球最高。TCR V基因的CDR区和框架区普遍存在大量非同义突变，几乎所有氨基酸位点均存在变异。其中CDR区变异贴合其抗原-HLA复合物结合的核心功能，而传统认为高度保守的框架区也存在大量功能性氨基酸理化性质变异，大幅丰富了TCR生殖系受体库的抗原识别潜力。此外，TCR等位基因频率存在显著人群分化特征，印证演化力量塑造了人群特异性TCR遗传多态。
三、证实TCR基因普遍存在歧化选择信号
研究通过演化混合效应模型证实，TCR V基因CDR1、CDR2区域存在多个受歧化选择的密码子，适配多样化pMHC配体识别需求，助力TCR适配人群多样的HLA基因型，同时响应病原体演化压力。同时突破性发现，TCR维持空间结构的框架区也存在大量受歧化选择的位点，具备重要演化优势，且基因内部等位变异是该选择信号形成的重要基础，刷新了对TCR基因演化规律的认知。
四、明确TCR基因存在长期平衡选择特征
研究借助BetaScan算法和Tajima’s D值验证，发现TRA/D基因座的TRAJ37区段存在跨人群稳定存在的强平衡选择信号。TRAJ37基因等位多样性极高，其编码序列特异性参与流感病毒关键抗原表位识别，不同等位的抗原结合能力差异显著，多样化等位基因可帮助人类抵御快速突变的流感病毒。同时TCR V基因也存在弱平衡选择信号，但受限于TCR基因功能冗余性，整体平衡选择强度显著低于经典HLA免疫基因。
五、发现东亚人群特异性TCR正向选择事件
通过iSAFE、iHS、XP-EHH等多种演化分析工具，研究在东亚人群TRA V基因簇检测到强正向选择信号，该区域人群遗传分化程度极高，属于典型的遗传变异软清扫事件。筛选得到两个核心候选致病变异，分别为基因功能缺失变异和框架区非同义突变，均起源于人类走出非洲迁徙之前。研究推测，TRAV30框架区变异可提升TCR对古代东亚流行病原体的识别能力，是该区域受到正向选择的核心原因。
六、解析TCR功能缺失等位基因的人群特征与生理意义
TCR基因的功能冗余特性，让大量功能缺失（LoF）等位基因得以在人群中稳定留存，且V基因的无功能等位占比远高于J基因。部分高频LoF等位与疾病抗性密切相关，可分别帮助人群抵御乳糜泻、超抗原诱发的细胞因子风暴等疾病，但也会损伤机体抗感染免疫能力。同时非经典T细胞发育必需基因也存在稀有LoF等位，为研究这类免疫细胞功能提供了天然人体模型。此外，不同人群功能性TCR等位数量差异显著，该差异主要由基因功能杂合度决定。
七、TCR生殖系变异可调控T细胞胸腺分化命运
基于单细胞分辨率分析发现，TCR V基因的生殖系遗传变异可直接调控T细胞胸腺谱系分化。研究校正多项混杂因素后，筛选出7个具备等位依赖性分化特征的V基因，其中TRAV14/DV4等位差异引发的CD8⁺ T细胞分化比例差异最为显著。该变异位于CDR1功能区域，通过改变TCR与pMHC配体的相互作用，直接影响T细胞发育分化走向，明确了生殖系变异对T细胞发育的关键调控作用。
八、TCR基因变异影响细胞膜受体表达丰度
TCR框架区的天然遗传变异可调控细胞膜表面TCR表达水平，进而影响免疫信号传导强度。其中TRAV8-6基因的两种主流等位，因框架区氨基酸差异，导致CD4⁺初始T细胞表面TCR丰度存在显著区别，且该结果在独立队列中得到验证。TCR膜表达量的提升可增强抗原识别灵敏度，揭示了非抗原结合区的生殖系变异，也是个体免疫应答差异的重要调控因素。
讨论
一、明确可遗传TCR多态是免疫个体差异的核心来源：本研究系统解析了长期被忽视的TCR基因生殖系遗传多样性，证实该类变异具备真实生物学功能。TCR基因受歧化选择、平衡选择、正向选择三重演化压力调控，能够影响个体生存适应度，打破了传统认知中适应性免疫多样性仅由体细胞随机重排主导的观点，证明先天可遗传TCR变异是塑造人群免疫应答差异的关键因素。
二、揭示TCRα、β链互补的多样性演化机制：研究发现免疫演化与功能信号高度富集于TCR α链基因座。即便TRAJ基因数量远少于TRBJ基因，但其单个基因等位多样性更高、功能缺失突变更少。两条TCR链形成互补的多样性调控模式：β链多样性主要依靠体细胞重排的随机突变，α链抗原识别特征则更多由先天生殖系V/J基因决定，让人类基因组留存了应对过往病原体的“免疫遗传记忆”。
三、刷新TCR框架区的功能与演化认知：传统保守的TCR框架区存在极高遗传多态性，是TCR功能多样性的重要隐性来源。框架区变异可改变CDR环空间结构、TCR蛋白稳定性及细胞膜表达丰度，即便T细胞CDR序列完全一致，框架区的先天遗传差异也会造成抗原识别灵敏度的个体区别。此外，研究推测HLA与TCR基因座可能存在共演化关系，但暂无直接证据支撑。
四、阐明TCR疾病关联研究的技术瓶颈与难点：现阶段主流GWAS研究难以挖掘TCR基因的疾病关联信号，核心原因是TCR基因座高度重复，SNP芯片对此区域覆盖度极差，导致致病变异大量遗漏。同时存在HLA-TCR上位互作效应，TCR风险等位的致病作用依赖特定HLA基因型，进一步掩盖了TCR基因与疾病的真实关联。
五、构建参考图谱，为疾病研究提供重要工具：本研究建立的完整TCR等位参考图谱，可结合基因型填充算法弥补传统测序的技术缺陷，助力后续大规模队列挖掘TCR生殖系变异与人类疾病风险的关联。TCR的疾病效应不仅取决于等位基因本身，还受基因使用偏好、克隆筛选、免疫环境等多重因素调控，完善通用TCR等位数据库对免疫疾病研究意义重大。
六、为自身免疫病治疗提供新依据与新思路：研究在自身免疫病关键TCR基因中发现大量功能缺失（LoF）等位基因，这类变异或具备疾病保护效果，可为自身免疫病靶向治疗提供新靶点。同时人群普遍耐受TCR单基因功能缺失，证实了靶向清除特异性T细胞的免疫疗法具备较高安全性。此外，大量低频稀有TCR等位，或与罕见自身免疫综合征的发病机制密切相关。
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