【学术笔记】B细胞抗体基因高频突变的DNA柔性基础

【学术笔记】B细胞抗体基因高频突变的DNA柔性基础

记录人：甘婷婷 胡家志实验室

2023年05月18日下午，受生命科学联合中心胡家志研究员邀请中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的孟飞龙研究员在北京大学生命科学学院邓祐才报告厅带来一场题为“B细胞抗体基因高频突变的DNA柔性基础”的精彩报告。

胡家志研究员介绍孟飞龙研究员的科研经历

孟飞龙研究员做报告与交流

概要

多样化抗体构成的抗体库在免疫系统抵御病原体侵染过程中发挥了关键作用。适应性免疫系统采用多种抗体多样化策略提高抗体基因的多样性，包括核酸内切酶RAG介导的V(D)J重排以及胞苷脱氨酶AID（Activation-induced cytidine Deaminase）介导的体细胞高频突变（Somatic Hypermutation, SHM）、抗体类型转换（Class Switch Recombination, CSR）、抗体基因转换（Gene conversion, GCV）等。体细胞高频突变过程中，胞苷脱氨酶AID利用转录过程中产生的ssDNA作为底物，在抗体基因可变区，尤其是可变区内的互补决定区（CDR）引入高频率的点突变。早在上世纪80年代，科学家们就观察到突变总是倾向积累在CDR区的现象，但是隐藏在这一科学现象背后的机制一直未知。孟飞龙研究组不仅在体外重构了小鼠体内的高频突变系统，而且在DNA中尺度水平揭示了抗体基因CDR超突变背后的生化机制，发现进化中抗体基因CDR编码区DNA序列富含柔性基序，更易捕获AID进而导致了突变偏好的发生（图一），解决了困扰这一领域40多年的科学难题，为下一代抗体基因人源化动物模型设计提供了底层理论。

图一，CDR区域的序列柔韧性决定了偏好性突变。

精彩回顾

体外重构小鼠内的CDR区域超突变现象

在体细胞高频突变过程中，胞嘧啶脱氨酶AID利用转录过程中产生的单链抗体基因作为底物，在抗体可变区的AGCT等突变热点区域引入高频率的DNA突变，从而产生具有更高亲和力的抗体分子。但是在检测突变频率的过程中，科学家们就观察到AID脱氨酶引入的点突变总是倾向于在CDR区域积累，而FR区域则极少检测到这种点突变。从上世纪80年代到现在，这种偏好性的突变现象的背后机制一直未知。为了让揭示抗体基因CDR区域超突变背后的生化机制，孟飞龙研究员等巧妙的引入了体外生化的方式，首先在离心管内重构了小鼠体内CDR区域高频突变的现象（图二）。

图二，在生理盐浓度下，检测AID脱氨酶对于单链抗体基因的突变模式。

不同物种内高度保守的超突变现象

随后，孟飞龙研究员等利用构建好的体外生化实验，获得了27个物种中1000余条抗体基因序列的的体外突变信息，发现CDR超突变偏好在使用体细胞高频突变作为主要抗体多样化策略的四足动物（包括人、恒河猴、食蟹猴、小鼠、大鼠、狗、鸭嘴兽以及羊驼等）中高度保守（图三），提示CDR编码区的DNA序列上下文可能影响了突变偏好。

图三，CDR区域超突变具有物种保守性。

DNA柔性影响AID脱氨酶的突变频率

为深入挖掘DNA序列特征，研究人员联合分子动力学模拟和单分子生化方法，发现DNA序列柔性越大越有利于结合AID，进而有助于突变的发生。单链DNA的柔韧性与嘧啶-嘧啶二核苷酸的含量呈正相关。最后通过分析抗体基因序列特征，研究人员发现抗体基因CDR的编码序列在进化中获得了高度柔性的特征。利用柔性序列元件，可以在小鼠体内将突变“冷区”转变为突变“热点”。

图四，DNA柔性序列可以将突变冷区逆转成“热区”

上述的科研工作从传统的生化方法出发，结合可视化的高通量测序方法以及单分子等多种研究手段，在体外、免疫细胞以及小鼠模型等方面全方位的揭示了多种动物通过调节抗体基因CDR区域的突变热点附近DNA序列的柔性来调控CDR区域以及FR区域的超突变频率，从而在增强抗体分子亲和力的同时而不破坏其他区域保守的DNA序列。为DNA力学性质调控细胞生命活动提供了有力的证据，也揭示了编码密码子的DNA序列自身的非编码功能。

孟飞龙研究员此次在北京大学的演讲，不仅在DNA中尺度揭示了抗体基因体内超突变的分子机制，而且证明了DNA序列的柔性能够有效的增强胞嘧啶脱氨酶的结合从而加速超频突变的发生。

转自：“生命科学联合中心”微信公众号

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