Trends in Immunology：叶菱秀/孟飞龙团队总结DNA柔性对抗体超突变的作用

来源：Cell Press 2024-04-23 10:20

上海交通大学医学院上海市学研究所叶菱秀研究员与中国科学院分子细胞科学卓越创新中心孟飞龙研究员作为共同通讯作者（博士后王燕燕为第一作者）在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Immunology上发表了题为：DNA flexibility can shape the preferential hypermutation of antibody genes的观点文章。

该文章系统回顾了抗体超突变（SHM）的研究历史，引出了古老而经典的谜题：为什么抗体的互补决定区（CDR）比其他区域更易发生突变？，重点讨论了近期具有里程碑意义的发现 抗体基因的DNA柔性决定了中尺度（5-50 bp）范围AID脱氨酶介导的脱氨效率，进而导致CDR突变偏好的发生。最后，提出了DNA力学密码这一新兴概念对其他细胞生命学过程，如AID在癌症基因组的脱靶突变、DNA损伤修复过程中的潜在影响。

抗体多样性产生理论

我们的身体能够产生数量巨大的抗体来特异性地对抗日常生活环境中接触到的病原体，这正是人体执行复杂免疫过程的生动写照。

在20世纪50年代，对于抗体多样性的产生，主要有两种理论：1）胚系理论（germline theory）、2）体细胞突变理论（somatic hypermutation theory）。前者认为，身体携带了所有的产生多种抗体所需的胚系基因；而后者认为，单个胚系基因的体细胞突变可以通过达尔文进化过程实现抗体的选择和成熟。但这两种理论在生理学上都相当极端，因为第一种理论需要携带和传递大量遗传信息给下一代，而后者则需要在DNA上产生大量体细胞突变。经过多年的研究，我们现在知道，人类和常见实验室动物模型（如小鼠）的抗体多样性产生其实同时涉及上述两种理论。

典型的哺乳动物抗体由两个相同的免疫球蛋白重链（IgH），以及轻链（IgL）多肽组成。从功能上讲，抗体分子由一个可变区和一个具有效应功能的恒定区组成。在骨髓中B细胞发育过程中，可变区外显子由胚系的可变(V)、多样性(D)和连接(J)片自由拼接而成，这个过程称为V(D)J重排。当幼稚B细胞在外周淋巴器官遇到抗原刺激时，胞苷脱氨酶AID会起始体细胞超突变（SHM）过程，在可变区引入高频率的点突变和/或少量的片段插入/缺失。通过多次突变和选择，具有更高抗原结合亲和力的B细胞将在亲和力成熟过程中被选择。

因此，抗体编码序列的多样性是各种胚系抗体基因组合与体细胞超突变过程等的叠加。这两种抗体多样化过程，涉及多种程序化DNA损伤，理论上可以在我们的抗体库中产生高达109-1012种独特的抗体分子。

抗体基因体细胞超突变偏好之谜

在体细胞超突变（SHM）的早期研究中，研究人员便发现体细胞突变（SHM）偏好发生在V(D)J外显子内的三个高突变互补决定区（CDR）。随后更多的研究证明这一偏好性与选择压力无关，是抗体基因序列本身的固有特征。由于CDR主要负责结合抗原，突变会产生更加多样化的抗体基因序列，这对抗体本身可能是有利的。然而，漫长的进化过程是如何实现AID酶对三个间隔排列的CDR区的精确偏好靶向一直是领域内长期存在的经典难题。

这篇文章围绕他们最近发表在Cell 杂志的一项研究，重点讨论了利用独特的小鼠模型和巧妙的AID脱氨酶生化实验证实的新颖有趣的结论，即AID通过感知抗体基因的DNA序列的柔性来调控脱氨活性，导致突变偏好的发生，从而解决了这个领域科学家长期追寻的问题。

该结论揭示了抗体基因DNA编码序列的另一层非编码调控功能，这可能是适应性免疫系统进化过程中选择的结果，显示了遗传信息的复杂性。这一机制在众多使用SHM多样化策略的脊椎动物中高度保守。最近，Zoonomia项目对数百种哺乳动物的基因组进行了测序，研究这些物种的抗体基因序列进化有助于揭示更多隐藏的抗体编码序列特征。

DNA柔学密码的生理意义

除了参与抗体基因的超突变调控过程，DNA柔性还参与众多其他生命过程。本文总结了近几年关于DNA柔性研究的关键进展，包括用于测量全基因组尺度双链(ds)DNA柔性的Loop-seq技术揭示了dsDNA柔性与核小体定位相关、柔性dsDNA底物在先天免疫中具有更高的结合和激活cGAS的能力。相比于dsDNA，ssDNA的柔性测定更具挑战性，目前只有poly (dN) 底物被实验测定。因此，分子动力学模拟常被用于估量ssDNA的柔性。相关研究报道，复制蛋白A（RPA）或重组酶RAD51更易结合柔性高的ssDNA底物。因此，ssDNA柔性介导的ssDNA-蛋白结合通道的相互作用可能是调控ssDNA结合蛋白/酶作用的通用规则，也提示了DNA力学密码的生理作用。

图1. AID酶与DNA底物的进化选择