Science子刊 | 上海交通大学叶菱秀等合作揭示抗体多样化过程中抗体基因DNA片段缺失和插入产生的分子机制

插入和删除(indels)是低频有害的基因组DNA改变。尽管它们很罕见，但插入是常见的，并且导致长互补决定区域3 (CDR3)的插入对于广泛中和和靶向病毒的多反应抗体的抗原结合功能至关重要。由于检测indels的挑战，在免疫球蛋白多样化过程中产生indels的机制仍然知之甚少。

2023年3月24日，上海交通大学叶菱秀(Leng-Siew Yeap)、瑞典卡罗林斯卡学院Qiang Pan-Hammarström及意大利都灵大学Roberto Chiarle共同通讯（郝茜和占传棕为该文章的共同第一作者）在Science Immunology在线发表题为“DNA repair mechanisms that promote insertion-deletion events during immunoglobulin gene diversification”的研究论文，该研究报道了在免疫球蛋白基因多样化过程中促进插入-缺失事件的DNA修复机制。

该研究发现活化诱导的胞苷脱氨酶依赖的±1碱基对(bp)插入是最常见的插入事件，偏向有害的结果，而较长的帧内插入，特别是可以延长CDR3长度的插入，是罕见的结果。±1-bp的插孔通过碱基切除修复进行导通，但较长的插孔需要额外的DNA处理因子。DNA外切酶的异位表达或DNA聚合酶平衡的扰动可以增加较长插入的频率，从而为可以产生长CDR3抗体的模型铺平了道路。总之，该研究揭示了抗体体细胞高突变过程中产生有益和有害因子的机制，并对理解各种条件下有害的基因组改变具有意义，包括肿瘤发生。

在各种癌症中，DNA修复缺陷和DNA复制错误与索引位点频率增加和帧移突变相关。在免疫球蛋白(Ig)可变(V)区外显子中，抗体多样化过程中产生的短索引位点[<50碱基对(bp)]通常对B细胞有害。然而，短索引位点经常出现在编码罕见的广泛中和抗体(bnAbs)的Ig基因中，这些抗体针对病毒，从而有助于这些bnAbs的功能。除了indels之外，许多bnAbs具有与多反应性抗体或自身反应性抗体共享的不同寻常的特征。Ig heavy (IgH)链的长CDR3s已被证明在人类多反应抗体和特异性抗体中提供抗原结合的结构相关物方面发挥关键作用。具有长CDR3区域的B细胞通常被耐受机制负选择。虽然indels和长CDR3特征通常是有害的，但在某些情况下，它们对稀有抗体(如bnAbs)的功能是有益的。

抗体或B细胞受体（BCRs）的可变区域通过产生DNA病变的两个主要程序过程多样化：V(D)J重组和体细胞超突变(SHM)。在骨髓中B细胞发育过程中，V(D)J重组将众多可变(V)、多样性(D)和连接(J)片段连接在一起形成IgH链的可变区外显子，而V和J片段连接在一起形成Ig light (IgL)链的可变区外显子。这一抗原无关的过程在CDR3区域V、D和J片段连接的地方产生了巨大的多样性，长D和-J片段的连接很可能是许多bnAbs长CDR3特征的原因。

Ig多样化中indel产生的机制模型（图源自Science Immunology ）

在遇到外来抗原时，成熟的B细胞在生发中心(GCs)发生SHM，这是一种特殊的次级淋巴样形成。SHM在IgH和IgL链基因的CDRs中引入了高频率的点突变和偶尔的短插入。具有增加抗原结合亲和力的突变的B细胞被积极选择，而那些对BCR有害的B细胞被消极选择。在这种情况下，抗体基因中的indels最有可能在SHM过程中产生和选择。虽然还有待明确证实，但在SHM过程中产生的插入也应该有助于bnAbs或多反应性抗体或自身反应性抗体的长CDR3特征。

该研究表明不同大小的indel出现的频率并不相同。有害的±1-bp的indel事件是普遍的，而更长的indel事件可以促进生产抗体的产生是罕见的。进一步发现，不同的机制产生±1-bp和更长的indel，导致它们的频率不相等。最后，该研究利用passenger-Ig小鼠系统生成了indel频率增加的模型，为开发用于测试疫苗和诱导bnAbs的小动物模型铺平了道路。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciimmunol.ade1167