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新聞動態(tài)
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Trends in Immunology | 上海市免疫學(xué)研究所葉菱秀課題組發(fā)表觀點文章
發(fā)布日期:2024-02-24

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我們的身體能夠產(chǎn)生數(shù)目眾多的抗體來特異性地對抗日常生活環(huán)境中的病原體,這正是復(fù)雜免疫系統(tǒng)的生動寫照。在20世紀(jì)50年代,抗體多樣性的產(chǎn)生主要有兩種理論:(1)胚系理論(germline theory)認(rèn)為人體攜帶產(chǎn)生多種抗體所需的所有胚系基因;(2)體細胞突變理論(somatic hypermutation theory)則認(rèn)為單個胚系基因的體細胞突變可以通過達爾文進化過程實現(xiàn)抗體的選擇和成熟。然而,這兩種理論都比較極端,因為前者需要個體攜帶大量的遺傳信息并將其傳遞給下一代,而后者需要在DNA上產(chǎn)生大量的體細胞突變。

現(xiàn)在我們知道,抗體多樣性的產(chǎn)生主要涉及兩個過程:(1)骨髓中B細胞發(fā)育早期,核酸內(nèi)切酶RAG介導(dǎo)的V(D)J重排;(2)外周淋巴器官中成熟B細胞遭遇抗原刺激后,胞苷脫氨酶AID起始的體細胞超突變(SHM)、基因轉(zhuǎn)換(GCV)和抗體類型轉(zhuǎn)換(CSR)。這兩個過程疊加理論上可以產(chǎn)生多達109至1012種獨特的抗體。

抗體可變區(qū)結(jié)構(gòu)域由結(jié)合抗原的互補決定區(qū)(CDR)和維持免疫球蛋白結(jié)構(gòu)的框架區(qū)(FR)組成。早在20世紀(jì)80年代,研究便發(fā)現(xiàn)突變更偏好積累在CDR區(qū),隨后更多的研究證明這一偏好性與選擇壓力無關(guān),是抗體基因序列本身的固有特征。為什么三個間隔排列的CDR區(qū)是超突變偏好發(fā)生的區(qū)域一直是領(lǐng)域內(nèi)長期存在的經(jīng)典難題。

本文圍繞本課題組近期發(fā)表在Cell期刊的一項研究,重點討論了利用獨特的小鼠模型和巧妙的AID生化實驗證實的新穎有趣的結(jié)論,即AID通過感知抗體基因的DNA序列的柔性來調(diào)控脫氨活性,導(dǎo)致突變偏好的發(fā)生,從而解決了這個領(lǐng)域科學(xué)家長期追尋的問題。該結(jié)論揭示了抗體基因DNA編碼序列的另一層非編碼調(diào)控功能,這可能是適應(yīng)性免疫系統(tǒng)進化過程中選擇的結(jié)果,顯示了遺傳信息的復(fù)雜性。這一機制在眾多使用SHM多樣化策略的脊椎動物中高度保守。最近,Zoonomia項目對數(shù)百種哺乳動物的基因組進行了測序,研究這些物種的抗體基因序列進化有助于揭示更多隱藏的抗體編碼序列特征。

除了參與抗體基因的超突變調(diào)控過程,DNA柔性還參與眾多其他生命過程。本文總結(jié)了近幾年關(guān)于DNA柔性研究的關(guān)鍵進展,包括用于測量全基因組尺度dsDNA柔性的Loop-seq技術(shù)揭示了dsDNA柔性與核小體定位相關(guān)、柔性dsDNA底物在先天免疫中具有更高的結(jié)合和激活cGAS的能力。相比于dsDNA,ssDNA的柔性測定更具挑戰(zhàn)性,目前只有poly (dN)底物被實驗測定。因此,分子動力學(xué)模擬常被用于估量ssDNA的柔性。相關(guān)研究報道,復(fù)制蛋白A(RPA)或重組酶RAD51更易結(jié)合柔性高的ssDNA底物。因此,ssDNA柔性介導(dǎo)的ssDNA-蛋白結(jié)合通道的相互作用可能是調(diào)控ssDNA結(jié)合蛋白/酶作用的通用規(guī)則,也提示了DNA力學(xué)密碼的生理作用。

綜上,本文總結(jié)了近期關(guān)于DNA力學(xué)性質(zhì)參與細胞生命過程的關(guān)鍵進展,指出AID通過感知ssDNA柔性調(diào)控抗體基因超突變并非一個孤立的案例。很多生理過程也受DNA力學(xué)的調(diào)控,并且很可能采用相似的機制,這對建立這一新興的DNA力學(xué)密碼領(lǐng)域具有強力的推動作用,也啟示研究者重新審視遺傳信息的復(fù)雜性。

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AID酶與DNA底物的進化選擇


上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院上海市免疫學(xué)研究所博士后王燕燕為本文的第一作者,上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院上海市免疫學(xué)研究所葉菱秀研究員與中科院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心孟飛龍研究員為本文的共同通訊作者。本文得到了上海交通大學(xué)2030計劃、國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金等的支持。


圖片


葉菱秀,資深研究員,博士生導(dǎo)師。2010年博士畢業(yè)于劍橋大學(xué), 2010~2015年于哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院進行博士后研究,2016年加入上海交通大醫(yī)學(xué)院上海市免疫學(xué)研究所并擔(dān)任抗體多樣化課題組長。獲得國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項目、國際合作項目等基金資助。2023年榮獲上海交通大學(xué)首批思源學(xué)者。葉菱秀課題組長期致力于B淋巴細胞抗體多樣化分子機制研究,特別是廣譜中和抗體與自身抗體產(chǎn)生機制。課題組在體液免疫反應(yīng)和中和抗體發(fā)現(xiàn)上積累了多種技術(shù)和完善的研究體系。實驗室已培養(yǎng)“博新計劃”、“上海超博”博士后、博士研究生多名。歡迎對本課題組研究感興趣的學(xué)生及博士后的加入,共同探討推進B細胞抗體多樣化研究的進展。課題組主頁為http://dripwizz.com/sii/info/1053/1455.htm,歡迎感興趣的申請者來函咨詢[email protected]


Opinion article in Trends in Immunology discusses the new concept of DNA mechanics code

Researchers from the laboratory of Leng-Siew Yeap at the Shanghai Institute of Immunology, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine and Fei-Long Meng at the Shanghai Institute of Biochemistry and Cell Biology, Chinese Academy of Sciences have published an opinion article entitled "DNA flexibility can shape the preferential" online in Trends in Immunology. The article systematically reviews the history of antibody somatic hypermutation (SHM) and introduces the ancient and classic puzzle: "Why are complementarity-determining regions (CDRs) more susceptible to mutations than other regions?". Based on their recent landmark discoveries published in Cell, they provide an interesting and provocative discussion of DNA flexibility as a mediator of genetic function and aspects of the evolution of AID targeting via DNA flexibility. Finally, they also suggest the potential implications of the emerging concept of a DNA mechanical code for other cellular life processes, such as AID off-target mutations in cancer genomes and DNA damage repair processes.

During antibody affinity maturation, beneficial mutations occur preferentially in the DNA regions that encode antigen-contacting amino acids. The non-randomness of predisposed mutations has long been a mystery in immunology. They posit that ssDNA flexibility can be “sensed” by AID binding, fine-tunes deamination activity, and manifests as regional hypermutation, which could be an exemplar of how general DNA mechanics affect a cellular process. This newly identified feature might answer a longstanding question in immunology, which is why the CDR coding sequences are preferentially mutated to generate beneficial mutations in fighting pathogens. In this model, the coding sequence plays a non-coding role through DNA mechanics, and this mechanics code of DNA could be a hidden piece of genetic information. In a general aspect, they think that many other physiological processes are also controlled by DNA mechanics and that the example of AID deamination is not an isolated case. These processes await identification and merit further investigation.

The first author is Yanyan Wang, a Yuhe Postdoctoral Fellow and a Shanghai Super Postdoctoral Fellow in Yeap lab. This work was supported by the Shanghai Jiao Tong University 2030 Initiative, National Natural Science Foundation of China, China Postdoctoral Science Foundation, and etc.

The Yeap lab welcomes enthusiastic students and postdoctoral fellows to join the group. Interested individuals can contact Dr Yeap at [email protected].

SII website: http://dripwizz.com/sii/info/1164/2452.htm

Article link: https://authors.elsevier.com/a/1iepr_XTJFb%7EW5



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