解决抗体研究40年难题 Cell：揭示抗体基因DNA的“刚柔相济”
体细胞超突变(SHM)由激活诱导胞苷脱氨酶(AID)引发，在抗体编码序列中产生突变，从而使亲和力成熟。为什么这些突变本质上集中在三个非连续互补决定区(CDR)仍然是一个谜。
2023年4月24日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心孟飞龙及上海交通大学叶菱秀共同通讯在Cell 在线发表题为“Mesoscale DNA feature in antibody-coding sequence facilitates somatic hypermutation”的研究论文，该研究表明抗体编码序列中的中尺度DNA特征促进体细胞超突变。该研究发现易感性突变依赖于AID脱氨酶基序周围的中尺度序列所决定的单链(ss) DNA底物灵活性。含有柔性嘧啶-嘧啶碱基的中尺度DNA序列可以有效地与AID的正电荷表面斑块结合，从而产生优先的脱氨活性。
CDR的高易变性在体外脱氨酶实验中是可模仿的，并且在使用SHM作为主要多样化策略的物种中是进化保守的。作者证明了中尺度序列的改变调节了小鼠体内的易变性，并促进了其他寒冷区域的突变。该研究结果表明，抗体编码序列在指导超突变中具有非编码作用，为优化抗体发现的人源化动物模型的合成设计铺平了道路，并解释了淋巴瘤中AID的突变模式。
抗体亲和成熟是体液免疫反应的中心，产生高亲和抗体来对抗入侵的病原体。一抗库对抗原亲和力相对较低，通过V(D)J重组产生，即组装可变(V)、多样性(D)和将(J)基因片段连接到各种免疫球蛋白可变区(IgV)外显子(“IgV外显子”)中。在病原体刺激下，生发中心(GCs)中的B细胞经历体细胞超突变(SHM)，在IgV外显子中引入进一步突变。具有亲和性增加突变的B细胞被积极选择，而那些携带有害突变的B细胞被淘汰。在IgV外显子中，SHM主要针对编码高变抗原接触区(也称为互补决定区(CDRs))的三个短的非连续DNA序列。区域超突变的CDR偏好主要取决于突变的易感性，因为非生产性V外显子的内在超突变谱也显示出类似的趋势。在这方面，CDR和框架区(FR)之间的密码子偏差与这种差异易变性有关。
SHM是由激活诱导胞苷脱氨酶(AID)启动的，它通过碱基切除修复和错配修复来产生各种突变结果。在体外实验中，重组AID优先脱氨单链DNA (ssDNA)底物中WRC基序中的Cs，类似于其他AID/APOBEC(载脂蛋白B mRNA编辑酶，催化多肽)超家族蛋白的微尺度偏好。AID的微尺度脱氨酶基序与CDR富集的AGY(如AGCT)密码子相关，回文序列中的重叠热点(如AGCT)是B细胞中最常见的脱氨位点。然而，脱氨酶基序本身并不能解释SHM在CDRs中的体内偏性，因为WRC基序也存在于FRs中，并且广泛分布于基因组中。
机理模式图（图源自Cell ）
在IgV外显子中，固有SHM谱显示，当WRC基序位于CDRs中时，它会发生超突变。此外，敲入IgV外显子位点的细菌和人类非抗体序列在短区域内也表现出WRC基序的差异易变性，这一特性类似于CDR/FR偏倚。这些发现表明，在中尺度水平(5-50 bp)存在的元素可以增强特定WRC基序的SHM。这一假设与观察到的ssDNA底物必须具有最小长度才能有效脱氨是一致的。与IgV外显子相反，哺乳动物免疫球蛋白重链(IgH)开关(S)区域是AID类开关重组(CSR)的主要靶点，密集排列着AGCT基序，形成二级结构，促进AID的降解。由于IgV外显子和AID脱靶序列缺乏这些独特的DNA结构，因此AID如何优先靶向CDRs(或CDR样区域)中的特定WRC基序仍然未知。
该研究揭示了SHM中CDR超易变性的分子机制，其中高WRC密度和中尺度DNA柔韧性都有助于CDR-vs.-FR的超易变性变化。IgV编码序列在促进AID脱氨酶活性方面发挥非编码作用，这一特征可用于在“冷区”释放AID诱变能力。
中科院分子细胞科学卓越创新中心孟飞龙组博士研究生王燕燕为该论文的第一作者，孟飞龙研究员和叶菱秀研究员为该论文的共同通讯作者。该工作得到了哈佛医学院著名免疫学家Frederick W. Alt教授、上海交通大学达林泰教授、上海交通大学医学院郑小琪教授、中国农业大学赵要风教授、瑞典卡罗林斯卡研究所Qiang Pan-Hammarström教授、中科院杭州医学所宋杰教授、中科院生物物理所黄绍辉教授、复旦大学曹志伟教授、中科院分子细胞科学卓越创新中心刘珈泉教授等合作者的大力支持。此外，上海师范大学博士研究生张森欣为该论文的数据分析提供了巨大帮助、上海交通大学博士研究生杨欣瑞为分子动力学模拟作出了重要贡献。
