Nature背靠背 | 冯钰清/李丛磊等揭示抗体生成的机制

抗体在机体抗感染免疫（如抗新冠病毒感染）以及疫苗发挥效应过程中，均起到关键性作用。被抗原激活后，B 细胞内免疫球蛋白 （immunoglobulin） 基因的可变区，经历体细胞超突变 (somatic hypermutation, SHM)，而产生高亲和力的抗体；其恒定区通过抗体类型转换（class switch recombination, CSR），产生不同亚型的抗体（如从IgM 转换成IgG或 IgA），从而介导抗体功能的多样化 。这两个过程均由“激活诱导的胞苷脱氨酶” (activation-induced cytidine deaminase, AID) 介导。AID可以将胞嘧啶脱氨基转化为尿嘧啶，引起尿嘧啶/鸟嘌呤在免疫球蛋白基因区域的错配。这种错配经过DNA修复通路（如base excision repair (BER) 和 mismatch repair (MMR)) 的识别与处理，会在免疫球蛋白基因区域诱导 DNA突变 。这些含有DNA突变的B 细胞在生发中心，基于与抗原的结合力，而被进行选择，最终导致高亲和力抗体的产生。尽管AID早在20年前就已被发现，其作用的完整机制以及尿嘧啶突变性处理的分子通路仍然未知。

尿嘧啶作为出现在DNA中的“异类”碱基，通常情况下会被碱基切除修复通路 (base excision repair) 中的“尿嘧啶脱氧核糖核酸糖基化酶” (Uracil DNA glycosylase, UNG)迅速识别以及切除，生成无碱基位点, 从而引发通路中的其他成员进行高保真性修复，以用来维持基因组的稳定性和完整性。然而在B 细胞抗体多样化的过程中，是什么机制导致AID介导的尿嘧啶被突变性处理，而非被快速高保真性修复，是困扰着免疫学家几十年的重大问题。

2021年11月24日，加拿大多伦多大学免疫系的Alberto Martin团队在Nature杂志线上发表了文章FAM72A antagonizes UNG2 to promote mutagenic repair during antibody maturation，报道了B 细胞抗体多样化机制的重大发现。该研究团队通过在CH12F3-2 B细胞系进行全基因组CRISPR筛选，鉴定出FAM72A在B细胞CSR过程中起关键性作用。随后，通过构建Fam72a基因敲除小鼠，该团队发现：与野生型B 细胞相比，来自Fam72a 基因敲除小鼠的原代B 细胞，其抗体类型转换（CSR; 发生在抗体恒变区）和体细胞超突变（SHM; 发生在抗体可变区，可以导致抗体亲和力的增强）的频率均显著下降。

在作用机理方面，作者们发现：FAM72A可以抑制UNG的蛋白表达水平。当细胞缺乏FAM72A时，UNG的蛋白水平及活性显著增高，导致AID诱导的尿嘧啶被高效识别和修复, 进而致使B细胞突变频率的减少。AID的活性是与细胞周期调控密切相关的。在G1期，AID作用于基因转录产生的单链DNA上，将胞嘧啶脱氨基转化为尿嘧啶。利用细胞周期蛋白抑制剂将细胞锁定在特定增殖周期上，作者们发现：FAM72A也同样在G1期间高表达，进而显著降低UNG在G1期间的表达。低表达量的UNG导致尿嘧啶无法在G1期被及时修复，从而DNA序列中的尿嘧啶持续至S 期。在S期，从尿嘧啶或UNG介导的无碱基位点上进行DNA复制，则会产生突变。

总之，通过调控UNG的蛋白水平，FAM72A的存在导致AID可以充分发挥其“诱变剂”的作用，引发B 细胞免疫球蛋白编码区域的突变，从而介导高亲和力抗体以及不同亚型抗体的产生。

                         

Alberto Martin教授为该文章的通讯作者，冯钰清博士与李丛磊博士为该Nature文章的共同第一作者。李丛磊博士目前已在香港中文大学（深圳）医学院成立独立课题组（https://med.cuhk.edu.cn/teacher/159），主要研究方向为B细胞抗体生成机制、肠道黏膜免疫、以及基质细胞微环境对免疫细胞功能的调控机制。目前实验室招收博士后和博士研究生，欢迎对以上研究方向感兴趣的青年才俊加盟（详情参见：https://www.cuhk.edu.cn/recruitment/7055）。

值得一提的是，在同期，法国遗传与分子和细胞生物学研究所(IGBMC)的Bernardo Reina-San-Martin实验室在Nature杂志发表了背靠背文章:Fam72a enforces error-prone DNA repair during antibody diversification。该研究中，Reina-San-Martin研究团队运用了与Alberto Martin团队相似的实验手段，即B细胞系全基因组CRISPR筛选及构建Fam72a基因敲除小鼠。两个独立的研究团队就B细胞抗体生成机制有着类似的重大发现。