適應(yīng)性免疫是有頜脊椎動(dòng)物抵御多變病原體的核心防線，抗體類(lèi)別轉(zhuǎn)換重組（CSR）又是其功能實(shí)現(xiàn)依賴(lài) 的 關(guān)鍵過(guò)程【1】。 CSR 是 由活化誘導(dǎo)的胞苷脫氨酶（ AID ）啟動(dòng)，通過(guò)免疫球蛋白重鏈（ Igh ） 上 恒定區(qū) 的 DNA 重組 ， 使 抗體 類(lèi)型 從 IgM 向 具有不同 生物學(xué)功能 的 IgG 、 IgA 等亞型的轉(zhuǎn)換， 從而 達(dá)到 機(jī)體精準(zhǔn)啟動(dòng)免疫應(yīng)答 的目的【2,3】。 AID 靶向 Igh 恒定區(qū) 產(chǎn)生 DNA 雙鏈斷裂（ DSB ）需 后續(xù) 連接修復(fù)產(chǎn)生能編碼抗體的重排產(chǎn)物【4,5】。 CSR 的連接修復(fù)理論上產(chǎn)生 兩種 DNA 連接 產(chǎn)物 ，即 基因座上游的 供體 基因片段 C μ 與 下游 受體 基因片段 C H 間的 刪除性 連接 （ Deletional joining ）和倒位 性 連接（ Inversional joining ）【6】。 有些低等生物如禽類(lèi)中雞鴨需要倒位性連接 CSR 才能產(chǎn)生功能性新抗體【1】。而哺乳動(dòng)物如 小鼠和人 中 需要?jiǎng)h除性連接的 CSR 產(chǎn)物產(chǎn)生 功能性抗體 ，而倒位性連接的 CSR 產(chǎn)物不僅不能產(chǎn)生新的功能性抗體，還丟失了原本具有一定保護(hù)效應(yīng)的 IgM 抗體。 相對(duì)于純隨機(jī)的刪除性連接和倒位性連接 DNA 損傷修復(fù) ，小鼠和人進(jìn)化出方向特異性的 CSR 連接方式，即超過(guò)約 9 0% 的 CSR 產(chǎn)物為刪除性連接產(chǎn)物，進(jìn)而可以高效產(chǎn)生新的抗體類(lèi)型【7,8】。 但不同物種 C SR 過(guò)程中方向特異性 的 DNA 連接修復(fù)產(chǎn)生有效抗體 是如何被調(diào)控的 ， 目前 尚未被闡明 。

近日 ， 北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心 （ BIOPIC ） / 北京未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心 (ICG) 張 學(xué) 飛 研究員 團(tuán)隊(duì)在 Nature Communications 發(fā)表 題為 Chromatin-intrinsic mechanisms determine orientation-specific class switch recombination 的文章 ， 首次 提出 Igh 恒定區(qū)上基因片段的轉(zhuǎn)錄方向、基因片段間的染色質(zhì)距離以及染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域等組成的 轉(zhuǎn)換拓?fù)錁?gòu) 象 （ Switch Topological Configuration ， STC ）是決定 AID 誘導(dǎo) DSB 后 方向特異性連接、產(chǎn)生功能性 CSR 產(chǎn)物 的 核心 機(jī)制 ，為解析適應(yīng)性免疫的進(jìn)化與 CSR 調(diào)控提供了全新分子視角。

研究團(tuán)隊(duì) 首 先通過(guò)跨物種 Igh 恒定區(qū)比較分析，發(fā)現(xiàn)從鳥(niǎo)類(lèi)到哺乳類(lèi)， Igh 恒定區(qū)呈現(xiàn)單向轉(zhuǎn)錄極性固定、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域保守性增強(qiáng)等進(jìn)化特征（圖1A），提示染色質(zhì)固有特征 已經(jīng)“編碼” CSR 方向特異性調(diào)控 “遺傳信息”（圖1B）。

圖 1 不同物種中抗體恒定區(qū)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)特征以及小鼠 C SR 示意圖

基于此 ， 研究團(tuán)隊(duì) 以小鼠 CH12F3 細(xì)胞為模型，利用 基因編輯技術(shù) 工程化地操縱 Igh 恒定 區(qū)域 的 DNA 元件得到大量突變體細(xì)胞 ， 再 結(jié)合 CSR-HTGTS-seq 等 高通量測(cè)序 技術(shù)驗(yàn)證，明確 了 基因片段的 轉(zhuǎn)錄方向和染色質(zhì)距離是 CSR 重組方向的 關(guān)鍵 調(diào)控 因素 ， 即與 供體 Cμ 轉(zhuǎn)錄 方向相反 的受體 C H 會(huì)顯著增加倒位連接比例， 并且 受體 C H 與供體 Cμ 的染色質(zhì)距離越近，倒位連接概率越高，且該調(diào)控獨(dú)立于 DNA 損傷修復(fù)因子 介 導(dǎo)的機(jī)制。進(jìn)一步機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄方向通過(guò)調(diào)控染色質(zhì) 環(huán)擠壓發(fā)揮作用，反轉(zhuǎn) C H 的 啟動(dòng)子會(huì)富集 黏 連蛋白 c ohesin ，形成環(huán)擠壓阻滯位點(diǎn)，改變?nèi)旧|(zhì)相互作用進(jìn)而調(diào)控 DNA 連接 方式。 而染色質(zhì) 空間 結(jié)構(gòu)域是重要調(diào)控屏障，若供體 Cμ 與受體 C H 位于 不同拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域（ TAD ）， 那么兩者之間的連接是以 隨機(jī) 擴(kuò)散 的 無(wú)方向偏倚性 的 連接 方式 實(shí)現(xiàn)（圖2）。

圖 2 不同物種中調(diào)控 方向 特異性 CSR 連接以產(chǎn)生功能性抗體的內(nèi)在染色質(zhì)特征模型。

綜上 ， 該 研究 一方面 提出 STC 的 概念， 并 闡明其進(jìn)化適配調(diào)控規(guī)律 ： 即 哺乳類(lèi) 動(dòng)物 中 Igh 的受體 C H 與供體 Cμ 具有 同向轉(zhuǎn)錄、長(zhǎng)距離且同 染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)域 分布 等特征 ， 因此 通過(guò)染色質(zhì)環(huán)擠壓實(shí)現(xiàn)高效率 刪除性 連接，保障功能性 CSR 產(chǎn)物和抗體的生成 ；而 在 部分鳥(niǎo)類(lèi)、 爬行類(lèi)中存在 與供體 Cμ 具有 反向轉(zhuǎn)錄、短距離或異 染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)域 分布 等特征 的 受體 C H ， 因此 通過(guò)擴(kuò)散引發(fā)倒位連接 介 導(dǎo)的功能性 CSR 。 該研究系統(tǒng)解釋了不同物種Igh染色質(zhì)固有機(jī)制與CSR連接特征的進(jìn)化匹配性；另一方面豐富了染色質(zhì)固有特征調(diào)控免疫球蛋白基因重組的機(jī)制，將CSR的調(diào)控研究從單一過(guò)程拓展至多層次多角度的過(guò)程，深化了對(duì)有頜脊椎動(dòng)物適應(yīng)性免疫進(jìn)化規(guī)律的理解，也為抗體定向進(jìn)化、免疫相關(guān)疾病機(jī)制研究提供了全新思路和理論基礎(chǔ)。

北京大學(xué) BIOPIC 博士研究生 羅莎 （ PTN 項(xiàng)目） 、喬若琳 （ PTN 項(xiàng)目） 、查海亮 和 余 樂(lè)毅 為論文 共同第一作者 ，北京大學(xué) 張學(xué)飛研究員為 本文 通訊作者 。 北京大學(xué) BIOPIC 博士研究生單小玲 ， 李姝嬋 ， 楊子帆 和 馬奧 宇參與 該研究 ， 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 趙要風(fēng)教授 團(tuán)隊(duì)為 該 研究 提供重要幫助 。

https://www.nature.com/articles/s41467-026-70031-z

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

1 Sun, Y., Huang, T., Hammarstrom, L. & Zhao, Y. F. The Immunoglobulins: New Insights, Implications, and Applications. Annu Rev Anim Biosci 8 , 145-169, doi:10.1146/annurev-animal-021419-083720 (2020).

2 Alt, F. W., Zhang, Y., Meng, F. L., Guo, C. G. & Schwer, B. Mechanisms of Programmed DNA Lesions and Genomic Instability in the Immune System. Cell 152 , 417-429, doi:10.1016/j.cell.2013.01.007 (2013).

3 Zhang, Y., Zhang, X. F., Dai, H. Q., Hu, H. L. & Alt, F. W. The role of chromatin loop extrusion in antibody diversification. Nat Rev Immunol 22 , 550-566, doi:10.1038/s41577-022-00679-3 (2022).

4 Luo, S., Qiao, R. L. & Zhang, X. F. DNA Damage Response and Repair in Adaptive Immunity. Front Cell Dev Biol 10 , doi:ARTN 88487310.3389/fcell.2022.884873 (2022).

5 Panchaksharia, R. A. et al. DNA double-strand break response factors influence end-joining features of IgH class switch and general translocation junctions. P Natl Acad Sci USA 115 , 762-767, doi:10.1073/pnas.1719988115 (2018).

6 Dong, J. C. et al. Orientation-specific joining of AID-initiated DNA breaks promotes antibody class switching. Nature 525 , 134-+, doi:10.1038/nature14970 (2015).

7 Zhang, X. F. et al. Fundamental roles of chromatin loop extrusion in antibody class switching. Nature 575 , 385-+, doi:10.1038/s41586-019-1723-0 (2019).

8 Zhang, X. F., Yoon, H. S., Chapdelaine-Williams, A. M., Kyritsis, N. & Alt, F. W. Physiological role of the 3 ′ IgH CBEs super-anchor in antibody class switching. P Natl Acad Sci USA 118 , doi:ARTN e2024392118 10.1073/pnas.2024392118 (2021).

學(xué)術(shù)合作組織

（*排名不分先后）

戰(zhàn)略合作伙伴

（*排名不分先后）

轉(zhuǎn)載須知

【非原創(chuàng)文章】本文著作權(quán)歸文章作者所有，歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)分享，未經(jīng)作者的允許禁止轉(zhuǎn)載，作者擁有所有法定權(quán)利，違者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推薦

點(diǎn)擊主頁(yè)推薦活動(dòng)

關(guān)注更多最新活動(dòng)！