Science子刊：上海交大叶菱秀团队揭示抗体基因缺失和插入事件的DNA修复机制

我们的日常生活中潜伏着各种各样的病原体，为了守卫机体的健康，获得性免疫系统通过抗体多样化过程产生数以亿计的抗体分子，特异性地对抗入侵的病原体。

抗体多样化过程包含两个主要步骤，分别是V(D)J重排和体细胞高频突变（SHM），均涉及基因组DNA的损伤。体细胞高频突变过程往往会在抗体的可变区引入高频率的点突变以及低频率的片段插入或缺失（Indels），这对抗体亲和力的提升至关重要。

片段插入或缺失发生频率很低，一直被忽视，直到近年来发现这一事件在稀有的抗病毒广谱中和性抗体中起着重要作用，才引起广泛的重视。

但是传统的检测方法很难捕捉到这些低频事件，因此，抗体多样化过程中的片段插入或缺失机制一直不清楚。

2023年3月24日，上海交通大学医学院上海市免疫学研究所叶菱秀团队在 Science Immunology 期刊在线发表了题为：DNA Repair Mechanisms That Promote Insertion-Deletion Events During Immunoglobulin Gene Diversification 的研究论文。

该研究克服了低频事件检测挑战， 通过独特的乘客抗体基因（Passenger-Ig）系统剖析了体细胞高频突变过程中抗体基因片段插入或缺失的产生机制，并通过遗传学手段获得了能够提高片段缺失或插入频率的小鼠模型，为加速广谱中和抗体的产生提供了理论支撑。

该研究的亮点是开发了一种乘客抗体基因（Passenger-Ig）系统并结合超深度测序解决了前人无法检测低频片段缺失或插入的困难。乘客抗体基因系统顾名思义，可以将B细胞想象成一辆出租车，车内有司机和乘客。司机是负责驱动B细胞生存的功能性等位基因，而乘客则是不负责编码抗体的等位基因，只用观察和体验车内外的环境，因此可以不受外界干扰，真实记录所有发生的事件。通过该系统，研究团队成功捕捉到了生理条件下真实的片段缺失或插入事件，发现1bp碱基对的缺失或插入发生最频繁，占总缺失或插入事件的近一半。

随后，研究团队对片段插入或缺失的机制进行了深入剖析，构建了15种DNA损伤应答修复因子缺陷乘客小鼠模型， 发现1bp缺失由碱基切除修复（BER）机制引导，而1bp插入是通过碱基切除修复（BER）和错配修复（MMR）两种途径发生的。这两种途径都需要DNA双链断裂损伤修复因子53BP1的参与，此外，1bp的插入还需要核酸外切酶ExoI和易错DNA聚合酶Polη的参与，但较长的插入缺失需要额外的 DNA 加工因子。

因为片段的缺失和插入会影响抗体基因可变区的长度，其中互补决定区的长度变化对抗原抗体的结合发挥举足轻重的作用。在机制研究基础上，研究团队通过人为引入DNA 核酸外切酶Trex2或条件性敲除DNA 聚合酶polβ，成功构建了能够增加抗体基因缺失或插入频率的小鼠模型，对疫苗的研发和广谱中和抗体的生产奠定了坚实的基础，为优化现有抗体基因人源化动物模型提供了思路。

上海交通大学医学院上海市免疫学研究所叶菱秀研究员，瑞典卡罗琳斯卡医学院Qiang Pan-Hammarström教授和意大利都灵大学病理学系Roberto Chiarle教授为论文共同通讯作者，郝茜助理研究员和占传棕博士研究生为论文共同第一作者。