2024年2月23日，上海市免疫学研究所叶菱秀课题组在国际免疫学综述类期刊Trends in Immunology在线发表了题为 “DNA flexibility can shape the preferential hypermutation of antibody genes” 的观点（Opinion）文章。本文系统回顾了抗体超突变（SHM）的历史，引出了古老而经典的谜题：“为什么抗体的互补决定区（CDR）比其他区域更易发生突变？”，重点讨论了近期具有里程碑意义的发现，即抗体基因的DNA柔性决定了中尺度（5-50 bp）范围AID脱氨酶介导的脱氨效率，进而导致CDR突变偏好的发生。最后，提出了DNA力学密码这一新兴概念对其他细胞生命学过程，如AID在癌症基因组的脱靶突变、DNA损伤修复过程的潜在影响。
我们的身体能够产生数目众多的抗体来特异性地对抗日常生活环境中的病原体，这正是复杂免疫系统的生动写照。在20世纪50年代，抗体多样性的产生主要有两种理论：（1）胚系理论（germline theory）认为人体携带产生多种抗体所需的所有胚系基因；（2）体细胞突变理论（somatic hypermutation theory）则认为单个胚系基因的体细胞突变可以通过达尔文进化过程实现抗体的选择和成熟。然而，这两种理论都比较极端，因为前者需要个体携带大量的遗传信息并将其传递给下一代，而后者需要在DNA上产生大量的体细胞突变。
现在我们知道，抗体多样性的产生主要涉及两个过程：（1）骨髓中B细胞发育早期，核酸内切酶RAG介导的V(D)J重排；（2）外周淋巴器官中成熟B细胞遭遇抗原刺激后，胞苷脱氨酶AID起始的体细胞超突变（SHM）、基因转换（GCV）和抗体类型转换（CSR）。这两个过程叠加理论上可以产生多达109至1012种独特的抗体。
抗体可变区结构域由结合抗原的互补决定区（CDR）和维持免疫球蛋白结构的框架区（FR）组成。早在20世纪80年代，研究便发现突变更偏好积累在CDR区，随后更多的研究证明这一偏好性与选择压力无关，是抗体基因序列本身的固有特征。为什么三个间隔排列的CDR区是超突变偏好发生的区域一直是领域内长期存在的经典难题。
本文围绕本课题组近期发表在Cell期刊的一项研究，重点讨论了利用独特的小鼠模型和巧妙的AID生化实验证实的新颖有趣的结论，即AID通过感知抗体基因的DNA序列的柔性来调控脱氨活性，导致突变偏好的发生，从而解决了这个领域科学家长期追寻的问题。该结论揭示了抗体基因DNA编码序列的另一层非编码调控功能，这可能是适应性免疫系统进化过程中选择的结果，显示了遗传信息的复杂性。这一机制在众多使用SHM多样化策略的脊椎动物中高度保守。最近，Zoonomia项目对数百种哺乳动物的基因组进行了测序，研究这些物种的抗体基因序列进化有助于揭示更多隐藏的抗体编码序列特征。
除了参与抗体基因的超突变调控过程，DNA柔性还参与众多其他生命过程。本文总结了近几年关于DNA柔性研究的关键进展，包括用于测量全基因组尺度dsDNA柔性的Loop-seq技术揭示了dsDNA柔性与核小体定位相关、柔性dsDNA底物在先天免疫中具有更高的结合和激活cGAS的能力。相比于dsDNA，ssDNA的柔性测定更具挑战性，目前只有poly (dN)底物被实验测定。因此，分子动力学模拟常被用于估量ssDNA的柔性。相关研究报道，复制蛋白A（RPA）或重组酶RAD51更易结合柔性高的ssDNA底物。因此，ssDNA柔性介导的ssDNA-蛋白结合通道的相互作用可能是调控ssDNA结合蛋白/酶作用的通用规则，也提示了DNA力学密码的生理作用。
综上，本文总结了近期关于DNA力学性质参与细胞生命过程的关键进展，指出AID通过感知ssDNA柔性调控抗体基因超突变并非一个孤立的案例。很多生理过程也受DNA力学的调控，并且很可能采用相似的机制，这对建立这一新兴的DNA力学密码领域具有强力的推动作用，也启示研究者重新审视遗传信息的复杂性。
AID酶与DNA底物的进化选择
上海交通大学医学院上海市免疫学研究所博士后王燕燕为本文的第一作者，上海交通大学医学院上海市免疫学研究所叶菱秀研究员与中科院分子细胞科学卓越创新中心孟飞龙研究员为本文的共同通讯作者。本文得到了上海交通大学2030计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金等的支持。
叶菱秀，资深研究员，博士生导师。2010年博士毕业于剑桥大学， 2010～2015年于哈佛大学医学院进行博士后研究，2016年加入上海交通大医学院上海市免疫学研究所并担任抗体多样化课题组长。获得国家自然科学基金优秀青年项目、国际合作项目等基金资助。2023年荣获上海交通大学首批思源学者。叶菱秀课题组长期致力于B淋巴细胞抗体多样化分子机制研究，特别是广谱中和抗体与自身抗体产生机制。课题组在体液免疫反应和中和抗体发现上积累了多种技术和完善的研究体系。实验室已培养“博新计划”、“上海超博”博士后、博士研究生多名。欢迎对本课题组研究感兴趣的学生及博士后的加入，共同探讨推进B细胞抗体多样化研究的进展。课题组主页为https://www.shsmu.edu.cn/sii/info/1053/1455.htm，欢迎感兴趣的申请者来函咨询yeaplengsiew@shsmu.edu.cn。
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 yeaplengsiew@shsmu.edu.cn.
SII website: https://www.shsmu.edu.cn/sii/info/1164/2452.htm
Article link: https://authors.elsevier.com/a/1iepr_XTJFb%7EW5
作 者 ｜ 王燕燕
排 版 ｜ 王 琼、胡 铨
审 核 ｜ 叶菱秀、方丽娟
论文阅读，可点击下方“阅读原文”
