抗体是适应性免疫的重要分子。B细胞进入生发中心后,抗体可变区会发生体细胞高频突变(SHM, somatic hypermutation),并通过突变和亲和力选择促进高亲和力抗体的产生。这一过程由活化诱导胞嘧啶脱氨酶(AID, Activation-induced cytidine deaminase)启动。因此,AID如何被精准靶向至抗体可变区,是理解抗体亲和力成熟机制的核心问题【1】。 然而,由于生发中心B细胞在体内数量稀少且难以获取,该核心问题仍未得到解决。
前期研究发现,免疫球蛋白重链(IGH, immunoglobulin heavy chain)V(D)J外显子所在位置具有特殊的SHM靶向能力;此外,小鼠研究发现,位于IGH远端的3′RR(3′ regulatory region)也参与SHM调控。小鼠IGH位点仅含有一个3′RR,而人IGH位点含有两个相距约100 kb、高度同源的3′RRs,但这两个3′RRs在人类SHM中的功能此前尚未得到系统研究。染色质环挤压可能参与远距离调控元件与靶区域的空间组织,但3′RR如何调控V(D)J的SHM,以及这一过程是否涉及特定的三维染色质结构,仍不清楚。
近日,哈佛医学院/波士顿儿童医院Frederick W. Alt院士团队在PNAS发表题为Human antibody heavy chain variable region exon interacts with the 3′ regulatory region to form a stable somatic hypermutation center的研究论文。基于课题组此前对抗体类别转换重组机制的研究【 2】,研究者提出了“SHM-C”模型:染色质环挤压可能促进相距数百kb的V(D)J与3′RRs在空间上的接近,形成有利于AID靶向的体细胞高频突变中心(SHM-C, somatic hypermutation center)。在该研究工作中,研究者建立了源自生发中心B细胞的人源RAMOS细胞SHM模型,从结构和功能上支持了SHM-C的存在,揭示了3′RRs促进AID靶向,并发现已经形成的SHM-C具有出人意料的稳定性。
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研究者将RAMOS细胞内源V(D)J替换为未经突变的小鼠VB1-8 V(D)J外显子,建立了可诱导发生SHM的细胞模型。利用高分辨率染色质互作检测技术3C-HTGTS发现,V(D)J与相距数百kb的两个3′RRs之间形成强烈的长距离染色质相互作用,并与iEµ、Eδ等调控元件共同组成SHM-C。进一步分别删除两个3′RRs发现,单独删除任意一个3′RR仅轻度影响SHM,而同时删除两个3′RR则使SHM大幅度降低,表明两个3′RR在促进SHM方面具有功能冗余性。值得注意的是,删除3′RR并未明显降低V(D)J转录,却显著降低了V(D)J区域的AID富集。这表明,3′RR促进SHM并不主要依赖增强V(D)J转录,而可能通过SHM-C促进AID在V(D)J区域的募集或维持。
为了研究染色质环挤压是否参与促进3′RR与V(D)J外显子的接近并维持二者之间的相互作用,研究者利用CDK4/6抑制剂将RAMOS细胞维持在G1时期,随后利用蛋白降解技术去除染色质环挤压复合物cohesin的核心组分RAD21,使细胞能够在G1期长期维持,从而研究RAD21是否对于SHM-C的维持是必须的。RAD21降解后,全基因组绝大部分染色质环和拓扑相关结构域(TAD,topologically associating domain)消失;然而,在G1期RAMOS细胞中,即使RAD21降解持续数天,V(D)J与3′RRs之间的相互作用仍可维持数天,同时SHM基本不受影响。这表明,在已经形成的SHM-C中,持续的染色质环挤压并非维持V(D)J–3′RRs相互作用和SHM所必需。
综上,本研究表明相距数百kb的V(D)J与3′RRs等调控元件可形成稳定的SHM-C,从而促进AID对抗体可变区的高效靶向。3′RR的作用并非局限于转录增强,还参与促进AID靶向;更重要的是,已经形成的SHM-C可以在缺乏持续染色质环挤压的情况下长期维持。该研究揭示了抗体SHM靶向的新机制,也为理解三维基因组介导的远距离基因调控提供了新的视角。
哈佛医学院/波士顿儿童医院的关莹博士和陈希博士为该论文共同第一作者,Frederick W. Alt院士和陈希博士为论文通讯作者。
原文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2625638123
制版人:十一
参考文献
1. L.-S. Yeap, et al., Sequence-Intrinsic Mechanisms that Target AID Mutational Outcomes on Antibody Genes.Cell163, 1124–1137 (2015).
2. X. Zhang, et al., Fundamental roles of chromatin loop extrusion in antibody class switching.Nature575, 385–389 (2019).
学术合作组织
(*排名不分先后)
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