2019年11月17日訊/
生物谷BIOON/---我們對抗遇到的眾多潛在致病因子的能力取決於一種稱為重組的過程，它可以以不同的方式發生，比如V(D)J重組和抗體類別轉換重組（class-switch recombination, CSR）。這些重組過程操縱DNA序列，使我們的身體能夠產生多種多樣的免疫系統識別成分：抗體和T細胞受體（TCR）。如今，美國波士頓兒童醫院的Frederick W. Alt及其團隊在Nature期刊上發表了的兩篇論文揭示了這些類型的重組事件的發生方式存在意想不到的相似性。
在發育中的免疫系統細胞中，一種稱為V(D)J重組的過程會使用三類稱為V、D和J的基因片段重新排列DNA序列，從而組裝將編碼抗體或TCR的基因。這些基因片段的兩側是進化上保守的稱為稱為重組信號序列（RSS）的DNA序列，這些序列指示酶RAG以驚人的多樣化組合方式將一個V片段和一個J片段，有時還包括一個D片段連接在一起。這些連接的基因片段之間的DNA通常會被刪除，不過在極少數情況下，當兩個基因片段連接在一起時，它發生倒置並保留下來。這種重組過程能夠讓抗體和TCR具有多樣化的稱為可變區（variable domain）的蛋白結構域，這些可變區識別稱為抗原的蛋白片段。正是這些識別抗原的可變區的多樣性使得免疫系統能夠有效地應對各種致病因子。
這些編碼抗體的基因有時會經歷進一步的修飾，以改變單個DNA核苷酸鹼基（產生所謂的體細胞點突變），從而增強抗體識別抗原的能力。這些基因中的DNA也可以經歷一系列稱為CSR重組的DNA改變，這些改變不影響抗原識別，相反，它們賦予抗體多種效應功能，比如結合黏膜表面的能力，或者有助於其他免疫細胞應對感染的能力。
V(D)J重組是由RAG啟動的，而抗體編碼序列中的體細胞點突變和CSR重組是由一種稱為AID的DNA突變酶啟動的。RAG和AID引起基因組廣泛改變的潛在能力是危險的，因此它們的作用必須限於可利用DNA改變進行宿主防禦的靶序列。
作為一種DNA-蛋白複合物，染色質緊密包裝在人類細胞核內，形成成千上萬個大小不一的環（loop），這些染色質環（或者說DNA環）通過一種稱為黏連蛋白（cohesin）的蛋白複合物的環狀結構（ring）錨定在它們的底部上。當黏連蛋白的分子馬達組分通過黏連蛋白的環狀結構主動擠壓染色質直到染色質遇到了「障礙」時，這些染色質環就會形成。這可能是在染色質進入黏連蛋白環狀結構之前或之時形成的，通常是在DNA與CTCF蛋白結合時形成的。對較大染色質環進行黏連蛋白依賴性擠壓將染色質劃分為離散的稱為拓撲相關結構域（topologically associated domain）的區域，而較小的染色質環能夠讓DNA調控序列（比如位於線性DNA序列中相距較遠的增強子和啟動子）彼此相鄰放置，從而驅動基因表達。Alt團隊的這兩篇論文表明染色質環擠壓（chromatin-loop extrusion）也是控制V(D)J重組和CSR重組的基礎（圖1）。
圖1.DNA環擠壓導致抗體類別轉換重組，圖片來自Nature, 2019, doi:10.1038/d41586-019-03200-4。
在V(D)J重組過程中，RAG被招募到發生修飾的DNA結合組蛋白上，這些組蛋白較高水平地積累在含有抗體或TCR編碼J基因的一個染色體小區域中。這將產生一個VDJ重組中心，在那裡，RAG結合位於J基因片段兩側的RSS基序。然後，RAG以線性方式掃描其餘的染色體，以找到另一個相距較遠的基因片段的RSS基序。一旦兩個兼容的RSS對齊後，RAG會誘導DNA斷裂以啟動這兩個RSS之間的重組。RAG錨定在VDJ重組中心，這就引發了DNA在此掃描過程中如何移動的問題。
在第一篇論文中，Alt團隊意識到染色質環擠壓可能解釋了這種DNA移動。在這種模型中，在黏連蛋白與結合RSS的RAG在VDJ重組中心組裝後，黏連蛋白通過它的環狀結構「纏繞」在DNA上，使得染色質環中的RSS可能找到與之相兼容的結合著RAG的RSS，以進行重組。這種模型得到了Alt團隊開展的實驗的支持，比如他們證實通過黏連蛋白環狀結構阻止DNA的移動會使得重組事件發生偏向，從而有利於針對DNA移動受到阻止的位點附近的RSS進行重組。重要的是，這種模型中的定向DNA掃描機制還解釋了在V(D)J重組過程中發生刪除而非倒置事件的壓倒性優勢，長期以來這一直是一個無法解釋的難題。鑑於這些實驗與較早的研究一起證實黏連蛋白結合元件（位於某些抗體V基因片段附近的DNA基序）是DNA重排模式和由此產生的抗體庫的主要決定因素，一種令人信服的模型出現了，即染色質環擠壓有助於V(D)J重組。
CSR重組與V(D)J重組儘管在酶學上存在不同，但是在概念上是相似的。在第二篇論文中，Alt團隊研究了黏連蛋白驅動的DNA環擠壓是否也構成了CSR重組的基礎。在CSR重組期間，AID在抗體編碼基因的特定「轉換區（『switch region）」中引入了DNA核苷酸鹼基的多點突變，這最終導致DNA斷裂。不同於V(D)J 重組--- RAG介導的DNA切割依賴於一對相兼容的RSS的組裝---的是，AID在單個DNA位點上引起突變，這些突變可導致DNA在轉換區對齊之前或之後發生斷裂，隨後這些轉換區連接在一起。
Alt團隊提出，類似於在VDJ重組中心中發生的事件，CSR重組中心在抗體編碼基因中的一個特定轉換區（稱為Sμ）上形成。先前的研究支持將擴散作為導致抗體類別轉換過程中DNA對齊的機制，而Alt團隊的研究工作支持基於黏連蛋白的染色質環擠壓將兩個轉換區對齊而能夠讓它們進行重組的觀點（圖1）。因此，這兩篇論文為V(D)J重組和CSR重組存在統一模型提供了令人信服的證據。它們還基於染色質結構的動態調節將這些過程與基因表達調控聯繫在一起。
這種模型提供了可待測試的預測，並提出了許多問題。比如，如何將黏連蛋白招募到VDJ重組中心和CSR重組中心？特定細胞譜系中的黏連蛋白剔除會導致有缺陷的V(D)J重組，而黏連蛋白的缺失消除了整個染色體上的所有染色質環。然而，這些改變對CSR重組的影響尚待確定。
染色質環擠壓在DNA中產生扭轉應力（torsional stress），而黏連蛋白招募酶拓撲異構酶IIB通過瞬時導致DNA斷裂來緩解這種應力。因此，黏連蛋白纏繞DNA來調節基因表達或實現基於重組的免疫多樣化可能驅動一種稱為染色體易位的染色體異常，這可能導致癌症。就像DNA環本身一樣，這些對染色體結構作用的新見解可能有助於揭示先前被認為是獨立的領域之間存在的聯繫。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：1.Yu Zhang et al. The fundamental role of chromatin loop extrusion in physiological V(D)J recombination. Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1547-y.