文章信息
文章题目：Mesoscale DNA Feature in Antibody-Coding Sequence Facilitates Somatic Hypermutation
期刊：Cell
发表时间：2023年4月24日
主要内容：中国科学院分子细胞科学卓越创新中心孟飞龙团队联合上海交通大学医学院上海市免疫学研究所叶菱秀团队，在Cell杂志上发表了文章 Mesoscale DNA Feature in Antibody-Coding Sequence Facilitates Somatic Hypermutation，该研究在DNA中尺度水平揭示了抗体基因CDR超突变背后的生化机制，发现进化中抗体基因CDR编码区DNA序列富含柔性基序，更易捕获AID进而导致了突变偏好的发生，解决了困扰这一领域40多年的科学难题，为下一代抗体基因人源化动物模型设计提供了底层理论。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.03.030
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研究背景
多样化抗体构成的抗体库在免疫系统抵御病原体侵染过程中发挥了重要作用。适应性免疫系统采用多种抗体多样化策略提高抗体基因的多样性，包括核酸内切酶RAG介导的V(D)J重排以及胞苷脱氨酶AID（Activation-induced cytidine Deaminase）介导的体细胞高频突变（Somatic Hypermutation, SHM）、抗体类型转换（Class Switch Recombination, CSR）、抗体基因转换（Gene conversion, GCV）等。
体细胞高频突变过程中，胞苷脱氨酶AID利用转录过程中产生的ssDNA作为底物，在抗体基因可变区，尤其是可变区内的互补决定区（CDR）引入高频率的点突变。早在上世纪80年代，科学家们便提出了为什么CDR具有偏好性突变这个问题，但是四十多年来，领域内一直没有给出令人信服的答案。
文章概述
研究人员首先利用体外生化实验，获取了27个物种中1000余条抗体基因序列的体外突变信息，发现CDR超突变偏好在使用体细胞高频突变作为主要抗体多样化策略的四足动物（简称‘SHM’四足动物，包括人、恒河猴、食蟹猴、小鼠、大鼠、狗、鸭嘴兽以及羊驼等）中高度保守，暗示了CDR编码区的DNA序列上下文可能影响了突变偏好。
CDR突变偏好具有进化保守性
随后，为进一步探究DNA序列对抗体基因突变频率的影响，研究人员首先将小鼠体内一段抗体基因可变区的DNA序列进行随机替换，发现新的序列环境显著改变了原始位点的突变频率。紧接着，研究人员聚焦于抗体基因的CDR3区域，利用CRISPR-Cas9基因编辑技术对CDR3区域DNA序列进行改造，快速获得了十几个拥有不同CDR3 DNA序列环境的小鼠模型，发现序列改变对CDR3区域内的突变频率造成了不同程度的影响，并且序列改变越靠近AID的作用位点，对突变频率的影响越大。
为深入挖掘DNA序列特征，研究人员结合分子动力学模拟和单分子生化方法，发现DNA序列柔性越大越有利于结合AID，进而有助于突变的发生。单链DNA的柔韧性与嘧啶-嘧啶二核苷酸的含量呈正相关。最后通过分析抗体基因序列特征，研究人员发现抗体基因CDR的编码序列在进化中获得了高度柔性的特征。利用柔性序列元件，可以在小鼠体内将突变“冷区”转变为突变“热点”。
DNA柔性序列可以将突变“冷区”逆转为突变“热点”
综上，这项工作从经典的生化方法出发，联合高通量测序技术、分子动力学模拟和单分子生化方法等多种研究手段，在生化、细胞和小鼠模型三个层面全面揭示了一种在多数物种中普遍存在的通过DNA柔性调控抗体基因超突变的分子机制。为DNA力学性质调控细胞生命活动提供了有力的实证，揭示了编码密码子的非编码功能。
CDR区序列的柔韧性决定了偏好性突变
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使用TransStart® FastPfu DNA Polymerase(AP221)产品发表的部分文章：
• Zong Y, Liu Y J, Xue C X, et al. Mesoscale DNA Feature in Antibody-Coding Sequence Facilitates Somatic Hypermutation [J].Cell, 2023.
• Zhang H, Zhu Y B, Liu Z W, et al. A volatile from the skin microbiota of flavivirus-infected hosts promotes mosquito attractiveness [J]. Cell, 2022.
• Lei Z X, Meng H W, Liu L L, et al. Mitochondrial base editor induces substantial nuclear off-target mutation [J]. Nature, 2022.
• Zhang H L, Yu F F, Xie P, et al. An engineered prime editor with enhanced editing efficiency in plants [J]. Nature Biotechnology, 2022.
• Lin Q P, Jin S, Zong Y, et al. High-efficiency prime editing with optimized, paired pegRNAs in plants [J]. Nature Biotechnology, 2022.
• Jin S, Lin Q, Luo Y, et al. Genome-wide specificity of prime editors in plants [J]. Nature Biotechnology, 2021.
• Song B, Chen Y, Liu X, et al. Ordered assembly of the cytosolic RNA-sensing MDA5-MAVS signaling complex via binding to unanchored K63-linked poly-ubiquitin chains [J]. Immunity, 2021.
• Wang S X, Zong Y, Lin Q P, et al. Precise, predictable multi-nucleotide deletions in rice and wheat using APOBEC–Cas9 [J]. Nature Biotechnology, 2020.
• Li C, Zhang R,Meng X B, et al. Targeted, random mutagenesis of plant genes with dual cytosine and adenine base editors [J]. Nature Biotechnology, 2020.
• Liu Q, Zong Y, Xue C, et al. Prime genome editing in rice and wheat [J]. Nature Biotechnology, 2020.
