Nat Commun｜張學飛團隊揭示適應性免疫中決定抗體類別轉換方向特異性連接生成有效抗體的關鍵機制

適應性免疫是有頜脊椎動物抵御多變病原體的核心防線，抗體類別轉換重組（CSR）又是其功能實現依賴 的 關鍵過程【1】。 CSR 是 由活化誘導的胞苷脫氨酶（ AID ）啟動，通過免疫球蛋白重鏈（ Igh ） 上 恒定區 的 DNA 重組 ， 使 抗體 類型 從 IgM 向 具有不同 生物學功能 的 IgG 、 IgA 等亞型的轉換， 從而 達到 機體精準啟動免疫應答 的目的【2,3】。 AID 靶向 Igh 恒定區 產生 DNA 雙鏈斷裂（ DSB ）需 后續 連接修復產生能編碼抗體的重排產物【4,5】。 CSR 的連接修復理論上產生 兩種 DNA 連接 產物 ，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中雞鴨需要倒位性連接 CSR 才能產生功能性新抗體【1】。而哺乳動物如 小鼠和人 中 需要刪除性連接的 CSR 產物產生 功能性抗體 ，而倒位性連接的 CSR 產物不僅不能產生新的功能性抗體，還丟失了原本具有一定保護效應的 IgM 抗體。 相對于純隨機的刪除性連接和倒位性連接 DNA 損傷修復 ，小鼠和人進化出方向特異性的 CSR 連接方式，即超過約 9 0% 的 CSR 產物為刪除性連接產物，進而可以高效產生新的抗體類型【7,8】。 但不同物種 C SR 過程中方向特異性 的 DNA 連接修復產生有效抗體 是如何被調控的 ， 目前 尚未被闡明 。

近日 ， 北京大學生物醫學前沿創新中心 （ BIOPIC ） / 北京未來基因診斷高精尖創新中心 (ICG) 張 學 飛 研究員 團隊在 Nature Communications 發表 題為 Chromatin-intrinsic mechanisms determine orientation-specific class switch recombination 的文章 ， 首次 提出 Igh 恒定區上基因片段的轉錄方向、基因片段間的染色質距離以及染色質結構域等組成的 轉換拓撲構 象 （ Switch Topological Configuration ， STC ）是決定 AID 誘導 DSB 后 方向特異性連接、產生功能性 CSR 產物 的 核心 機制 ，為解析適應性免疫的進化與 CSR 調控提供了全新分子視角。

研究團隊 首 先通過跨物種 Igh 恒定區比較分析，發現從鳥類到哺乳類， Igh 恒定區呈現單向轉錄極性固定、染色質結構域保守性增強等進化特征（圖1A），提示染色質固有特征 已經“編碼” CSR 方向特異性調控 “遺傳信息”（圖1B）。

圖 1 不同物種中抗體恒定區的染色質結構特征以及小鼠 C SR 示意圖

基于此 ， 研究團隊 以小鼠 CH12F3 細胞為模型，利用 基因編輯技術 工程化地操縱 Igh 恒定 區域 的 DNA 元件得到大量突變體細胞 ， 再 結合 CSR-HTGTS-seq 等 高通量測序 技術驗證，明確 了 基因片段的 轉錄方向和染色質距離是 CSR 重組方向的 關鍵 調控 因素 ， 即與 供體 Cμ 轉錄 方向相反 的受體 C H 會顯著增加倒位連接比例， 并且 受體 C H 與供體 Cμ 的染色質距離越近，倒位連接概率越高，且該調控獨立于 DNA 損傷修復因子 介 導的機制。進一步機制研究發現，轉錄方向通過調控染色質 環擠壓發揮作用，反轉 C H 的 啟動子會富集 黏 連蛋白 c ohesin ，形成環擠壓阻滯位點，改變染色質相互作用進而調控 DNA 連接 方式。 而染色質 空間 結構域是重要調控屏障，若供體 Cμ 與受體 C H 位于 不同拓撲相關結構域（ TAD ）， 那么兩者之間的連接是以 隨機 擴散 的 無方向偏倚性 的 連接 方式 實現（圖2）。

圖 2 不同物種中調控 方向 特異性 CSR 連接以產生功能性抗體的內在染色質特征模型。

綜上 ， 該 研究 一方面 提出 STC 的 概念， 并 闡明其進化適配調控規律 ： 即 哺乳類 動物 中 Igh 的受體 C H 與供體 Cμ 具有 同向轉錄、長距離且同 染色質空間結構域 分布 等特征 ， 因此 通過染色質環擠壓實現高效率 刪除性 連接，保障功能性 CSR 產物和抗體的生成 ；而 在 部分鳥類、 爬行類中存在 與供體 Cμ 具有 反向轉錄、短距離或異 染色質空間結構域 分布 等特征 的 受體 C H ， 因此 通過擴散引發倒位連接 介 導的功能性 CSR 。 該研究系統解釋了不同物種Igh染色質固有機制與CSR連接特征的進化匹配性；另一方面豐富了染色質固有特征調控免疫球蛋白基因重組的機制，將CSR的調控研究從單一過程拓展至多層次多角度的過程，深化了對有頜脊椎動物適應性免疫進化規律的理解，也為抗體定向進化、免疫相關疾病機制研究提供了全新思路和理論基礎。

北京大學 BIOPIC 博士研究生 羅莎 （ PTN 項目） 、喬若琳 （ PTN 項目） 、查海亮 和 余 樂毅 為論文 共同第一作者 ，北京大學 張學飛研究員為 本文 通訊作者 。 北京大學 BIOPIC 博士研究生單小玲 ， 李姝嬋 ， 楊子帆 和 馬奧 宇參與 該研究 ， 中國農業大學 趙要風教授 團隊為 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

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).

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