Nature:巴钊庆博士等揭示抗体重链V基因序列重排的重要机制

2022-01-03 03:29:03 来源:
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明年肆虐在世界上的新型冠状病原所引发的重大疫情不仅将学者带起了开发乙型肝炎和治疗性突变的前所沿,也在公众中会再次科普了“乙型肝炎”“突变检测”“中会和性突变”等专业名词及其背后蕴含的根基免疫学知识。作为体液免疫的举足轻重复合物畸变分子之一,突变在生物体辨别和消除生物体、病原等寄生虫侵染处理过程中会起着举足轻重起到。

突变作为分泌型的免疫球复合物(Immunoglobulin, Ig),经B淋巴线粒体生成,是由两组一对一的重链(IgH)和轻链(IgL)经二硫键连通构成的Y型复合物复合物。IgH和IgL分别较强可调区内和恒定区内,其中会可调区内特异性辨别和相结合抗原。可调区内的区块等位基因由V(D)J自由基(V(D)J recombination)重排产生。以IgH等位基因座为例,在人和生物体内等位DNA中会IgH等位基因座跨越数百万碱基对(megabase, Mb),由数百个V、十多个D、多个J等位基因器件以及为数众多管控核酸组成。在前所体B淋巴线粒体(progenitor B cell, 又称pro-B)发育处理过程中会,V(D)J自由基重排通过RAG内切蛋白酶羧酸断裂一个D等位基因和一个J 等位基因器件进而通过非同源重组末端连通(NHEJ)偏移连通断裂器件从而形成DJH中会间两边体,接着再经过RAG 和NHEJ羧酸断裂和连通一个VH等位基因到DJH中会间两边体上,再次形成一段零碎的IgH可调区内区块等位基因VHDJH。V(D)J自由基重排生成大量可调区内区块等位基因库是构成突变多样性的举足轻重分子根基之一。

V(D)J自由基重排中会数量为数众多的V、D、J等位基因器件如何被RAG内切蛋白酶辨别和大块从而积极参与生成不够为独有的可调区内区块等位基因库是一个长期依赖于且引人入胜的两大关键问题。尽管很多研究课题从(表型)生稳定状态学相反了解到了制约V(D)J自由基的多种环境污染因素,但是这一自由基处理过程基本是如何频发的并不一定正确。

值得注意人们仍然可推测的基于随机蔓延的自由基处理过程,近年来霍华德·柯蒂斯医学所长(HHMI)、哈佛医学院(HMS)和波士顿间医院(BCH)的Frederick W. Alt副院长实验室室通过一系列临时工断定V(D)J自由基重排很可能会会是通过RAG线粒体器非同像(RAG chromatin scanning)的一维化静稳定状态执行的。该实验室室前所期前瞻性地挖掘单单RAG较强一维化“”(tracking)和大块等位DNA较强特定顺时针的off-target核酸的活性,并且该活性范围与不会聚型(convergent)CTCF相结合器件(CTCF-binding element, CBE)形成的等位DNA内环状在结构上域(loop domain)相符合。紧接着,该实验室室通过研究课题一类位于生物体内IgH等位基因座D桡骨VH等位基因下游紧靠的CBE的新功能时不够进一步提单单了可能会基于线粒体器内环一个大(loop extrusion)的系统的RAG线粒体器非同像的一维化静稳定状态,该静稳定状态需更好的解读桡骨VH-to-DJH的自由基处理过程以及该处理过程中会CBE的举足轻重起到。该实验室室随后刊单单的另一篇发表文章通过一系列实验室断定该静稳定状态也更好解读了心理上的删除性D-to-JH自由基关键问题,并不一定够进一步断定线粒体器内环一个大在该自由基处理过程中会关键起到举足轻重起到。然而,有关RAG线粒体器非同像的临时工的系统以及不够举足轻重的为数众多隔开于Mb以除此之外的不够操作者V等位基因是如何自由基的等关键问题仍然不正确。

2020年7年末27日,来自霍华德·柯蒂斯医学所长(HHMI)、哈佛医学院(HMS)和波士顿间医院(BCH)的Frederick W. Alt副院长以及国立身体健康所长(NIH)的Rafael Casellas教授他的团队在Nature杂志以Accelerated Article Preview形式在线刊单单了题为“CTCF orchestrates long-range cohesin-driven V(D)J recombinational scanning”的研究课题发表文章(巴钊庆Clark为本文第一作者兼共同无线通讯作者,娄江曼Clark为共同一作)。该发表文章了解到了粘黏复合物cohesin依赖性的线粒体器内环一个大马达IgH等位基因座一维移至从而共享RAG非同像的底物,并且了解到了CTCF在该的系统调高控不够操作者VH自由基中会的举足轻重起到,由此为该教育领域长期依赖于的一个两大关键问题共享了新的观念。

为了研究课题RAG线粒体器非同像的马达力关键问题,学者可推测cohesin可能会是一个举足轻重生物体。为了非同然此观念,研究课题人员选用了生物体内永生化的v-Abl pro-B线粒体系。该线粒体系经其会后能长期稳定生存于线粒体周期的G1期,能大量转录RAG依赖性的D-to-JH自由基、少量转录桡骨而差不多很难转录不够操作者的VH-to-DJH自由基。前所在该线粒体系的研究课题属实了其频发的D-to-JH和桡骨VH-to-DJH正是通过RAG非同像依赖性的,那么在该线粒体系中会施用cohesin不会怎样呢?学者采用生长素其会复合物脱水元(auxin-inducible degron, AID)方式而在该线粒体系里借助于了cohesin复合物质举足轻重生物体Rad21的AID脱水体系(Rad21-degron),通过添加auxin快速脱水Rad21。紧接着,学者通过ChIP-seq属实了全等位DNA包括IgH等位基因座cohesin的相结合差不多全部消亡,而IgH 等位基因座特异性活性以及已知的线粒体器互作及V(D)J自由基需等位基因的特异性或理解均没有人非同着转变。学者进而通过巴钊庆Clark前所开发的3C-HTGTS挖掘单单也就是说的IgH等位基因座上差不多所有的线粒体器内环状在结构上域都消亡了,这与前所在其它类型线粒体中会的挖掘单单一致,即cohesin对于线粒体器内环一个大形成内环状在结构上域是需的。不够为那时候的是,学者不够进一步通过量化Rad21脱水前所后D-to-JH和桡骨VH-to-DJH的转变挖掘单单,Rad21脱水差不多消除了所有桡骨VH-to-DJH自由基,不稳定的减低了差不多所有的D-to-JH自由基,除了位于RAG倾斜度富集的V(D)J自由基中会心(recombination center, RC)在表面上的DQ52器件的自由基。前所的研究课题断定,DQ52由于其受制于RC的前面特殊性,可以通过蔓延比起RAG而频发自由基,因此其自由基并不一定无论如何依赖cohesin依赖性的内环一个大处理过程。

为了不够好地探究cohesin有缺陷的畸变,研究课题在Rad21-degron系统对里通过CRISPR/Cas9不够进一步敲除了IGCR1器件,前所挖掘单单IGCR1有缺陷后RAG非同像强化至IgH桡骨VH区内域从而导致桡骨VH尤其是VH81X等位基因的自由基急剧升高,那么在此根基上有缺陷了cohesin不会怎样呢?学者挖掘单单Rad21脱水几乎差不多消除了所有强化了的桡骨VH-to-DJH自由基,同时也不稳定的减低了差不多所有的D-to-JH自由基,再一次,只有DQ52自由基仍然需频发。比较应的,Rad21脱水同时消除了IgH等位基因座所有的线粒体器内环状在结构上,包括由于IGCR1有缺陷而导致的不小强化了的RC与桡骨VH密切关系的内环状化学键。这些结果共同断定cohesin极可能会会通过其依赖性的线粒体器内环一个大依赖性了RAG非同像所执行的D-to-JH和桡骨VH-to-DJH自由基处理过程。

除了桡骨VH等位基因,数百个不够操作者VH等位基因是如何比起RAG而频发不够远距离自由基呢?仍然以来人们可推测不够操作者VH可能会通过一种IgH固有的“等位基因座削减”(physical locus contraction)处理过程透过自由基。在该静稳定状态中会,不够操作者VH等位基因座以某种有可能会的系统比起并内紧靠RAG富集的自由基中会心从而使得每个VH等位基因以随机蔓延的方式比起RAG而自由基。由于缺乏明确的的系统依靠,该静稳定状态仍然受制于假说阶段。本文学者可推测值得注意该随机蔓延静稳定状态,与D和桡骨VH等位基因自由基类似,不够操作者VH等位基因可能会也是通过一维RAG线粒体器非同像处理过程再一比起RAG而收尾自由基。那么如何非同然这一点呢?学者采取了一个巧妙的方式而。

学者首先透过了大胆黎曼:在VH区内域,除了数百个VH等位基因除此之外还依赖于着数量为数众多的CTCF相结合器件CBEs;桡骨VH位处CBE在RAG非同像处理过程中会除了需强化与其位处的VH对于RAG的accessibility从而强化其自由基战斗能力,还额除此之外诱导了RAG不够进一步非同像其中上游的其它桡骨VH进而减弱了其自由基潜力;虽然为数众多不够操作者VH等位基因密切关系的CBE的基本新功能尚未可知,但这些CBE是否与桡骨CBE类似需逐步诱导RAG中上游非同像处理过程,从而制约整个不够操作者VH的自由基经验?不够进一步相结合他们的挖掘单单,其断定与生物体内出现异常前所体B线粒体比较来说,其相异单单来的v-Abl线粒体系只能透过少量的桡骨VH自由基,而很难透过不够操作者VH自由基;也就是说的,该线粒体系中会IgH自由基中会心丢失了与不够操作者VH等位基因座的内环状在结构上互作,而只依赖于少量与桡骨VH等位基因座的互作。其理由仍然有可能会,如果这是由于为数众多CBE对内环一个大依赖性的RAG一维非同像的诱导畸变所导致的,那么抑制或替换成所有这些CBE,看看就能重新转录不够操作者VH的自由基?

为了验证这一点,学者在v-Abl线粒体系借助于了CTCF-degron脱水体系。添加auxin在既有低水平上快速脱水CTCF后,ChIP-seq属实CTCF 脱水消除或不小调高了CTCF本身以及cohesin在等位DNA包括IgH上几乎CBE等位基因座的相结合;那时候的是,仍有一些CBE等位基因座被未无论如何脱水而“渗入的”CTCF复合物相结合,偏爱是那些受制于不够操作者VH区内域较强倾斜度特异性活性的等位基因座。被其会脱水后CTCF在线粒体器低水平上的非均一的相结合转变可能会说明了了不同CBE等位基因座自身的CTCF相结合活性、发散线粒体器内环境污染或其它有可能会环境污染因素。不够进一步的GRO-seq属实CTCF脱水并未非同着制约IgH自由基中会心和VH偏爱不够操作者VH特异性,也未制约任何已知可能会积极参与线粒体器化学键和V(D)J自由基的生物体的特异性,断定CTCF脱水后的线粒体仍然较强VH偏爱不够操作者VH自由基的经验。紧接着,学者通过3C-HTGTS挖掘单单,不够为那时候的是,CTCF脱水强烈无论如何了v-Abl线粒体系所丢失的RAG所在自由基中会心和差不多整个不够操作者VH区内域的线粒体器内环状在结构上互作,并且与生物体内出现异常前所体线粒体内的互作倾斜度类似,断定CTCF脱水后IgH等位基因座的线粒体器内环一个大无论如何恢复起到到不够操作者VH区内域。那么也就是说的,不够操作者VH是否也无论如何了自由基战斗能力呢?

答案是称许的!学者不够进一步检测了V(D)J自由基转变,挖掘单单CTCF脱水不够为非同着地、甚至有时不小地转录了绝几乎VH,包括不够操作者VH的自由基战斗能力,并且与生物体内出现异常前所体B线粒体比较来说,虽然并不一定100%一致,CTCF脱水后的v-Abl线粒体系仍然表现单单既有上不够为类似的VH自由基振幅和模式。也就是说的,CTCF脱水后的v-Abl线粒体系在VHDJH和DJH自由基的比较比率上非同着减低并不一定够为比起出现异常生物体内前所体B线粒体中会的值,断定VH自由基在既有低水平上也确实不小强化了。另除此之外,学者还通过量化RAG依赖性的off-target大块活性挖掘单单只有在CTCF脱水后的线粒体中会RAG才高频大块了整个VH区内域较强特定顺时针的off-target等位基因座,不够进一步支持了CTCF敲除使得RAG非同像需起到于整个VH区内域从而依赖性不够操作者VH自由基的结论。

此除此之外,学者还不够进一步研究课题了CTCF-degron体系创设处理过程中会产生的其它中会间稳定状态的线粒体系中会不够操作者VH自由基与CTCF复合物低水平以及潜在活性密切关系的关系:挖掘单单CTCF C端插入依赖性脱水的AID-GFP器件非同着降低了CTCF复合物低水平,也就是说的不够操作者VH开始频发自由基;予以auxin处理的CTCF-degron体系依赖于leaky CTCF脱水,使得CTCF复合物低水平不够进一步降低,也就是说的不够操作者VH自由基某种程度不够高;不够进一步的auxin处理差不多脱水了既有CTCF复合物低水平,也就是说的不够操作者VH自由基不够加不稳定的。这些比较来说之下不够操作者VH自由基对于CTCF复合物低水平以及潜在的活性的转变敏感性,即后者的调高对于转录RAG非同像不够操作者VH依赖性其自由基较强举足轻重的朝著起到。再次,不够进一步通过综合各种组学数据透过不够细致的量化,学者看来在CTCF活性调高处理过程中会VH的自由基可能会受到渗入CTCF相结合等位基因座以及VH特异性低水平的制约,从而了解到了在进化上生物体内不同VH域可能会采取了不同的方式而前所提各VH的自由基经验。

基于上述实验室挖掘单单和量化,学者再次提单单了cohesin和CTCF积极参与的线粒体器内环一个大依赖性的RAG非同像透过VH等位基因自由基的静稳定状态,并看来在生物体内B线粒体早期发育处理过程中会依赖于实际上管控CTCF/CBE诱导物活性、或者通过管控cohesin等其它内环一个大生物体活性从而间接克服CTCF/CBE的诱导畸变从而允许cohesin依赖性的内环一个大处理过程马达RAG非同像整个VH区内域而实现VH的自由基。

总体而言,该研究课题大胆理论上并设计和采取了巧妙的实验室方式而不仅推定了cohesin依赖性的内环一个大处理过程在RAG非同像处理过程中会的举足轻重马达起到,并且第一次了解到对单个CTCF复合物低水平的管控可以转录长距离VH自由基处理过程。据我们了解了解到,该临时工在评审处理过程中会受到多位审稿人的倾斜度评价,审稿人不仅称许了其在突变可调区内独有的系统关键问题上共享了“clear and sharp answer”,还称许了其挖掘单单对于不够相比较的等位DNA线粒体器在结构上及等位基因特异性的调节同样较强举足轻重的含意。审稿人实际上写道:“These findings establish a new paradigm for the V-to-DJ recombination step of antigen receptor gene assembly. The findings also lead to a pleasing mechanistic simplification and unification, in that now, all recombination events taking place outside of the RC at Igh (and perhaps other loci) can be envisioned to be operating by a single fundamental scanning mechanism. This is destined to be a landmark study for the field.”

值得注意的是,比这篇发表文章稍早投稿并接收值得注意在Nature在线刊单单的另一篇研究课题发表文章了解到生物体内前所体B线粒体中会cohesin线粒体器相结合活性的仗管控生物体Wapl的特异性低水平与IgH等位基因座长距离线粒体器化学键以及VH自由基仗相关,并不一定够进一步挖掘单单Wapl特异性低水平调高的前所体B线粒体中会cohesin在线粒体器上的单次减低(详见BioArt新闻报道:Nature | 粘连复合物释放生物体Wapl有利于V等位基因自由基的的系统)。前所在多种其它线粒体中会已属实Wapl低水平调高需既有上通过缩减cohesin线粒体器单次从而克服不会聚依序CBE器件对内环一个大处理过程的诱导畸变从而缩减线粒体器内环状在结构上域。基于此,该发表文章看来生物体内前所体B线粒体通过在特异性低水平上调低Wapl从而有利于IgH等位基因座内环一个大依赖性的VH等位基因自由基。阐述好像,这两篇发表文章从不同相反利用不同方式而再次了解到了一个内在统一的突变重链V等位基因自由基的举足轻重的系统。

原始单单处:

Zhaoqing Ba, Jiangman Lou, Adam Yongxin Ye,et al.CTCF orchestrates long-range cohesin-driven V(D)J recombinational scanning.Nature.Published: 27 July 2020

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