Nature:巴钊庆博士等揭示HIV重链V基因重排的重要机制

2022-01-10 00:36:44 来源:
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今年蔓延全球的新标准型冠状病毒所引发的不小疫情不仅将科学家推向了开发疫苗和治疗性免疫的最前沿,也在公众中会先次圣万了“疫苗”“免疫检测”“中会和性免疫”等专业名词及其暗藏蕴含的基础免疫学知识。作为体液免疫的关键亚基物理现象分子结构之一,免疫在人体识别系统和减轻大肠杆菌、病毒等病原菌侵染操作过程中会起着关键依赖性。

免疫作为分泌标准型的免疫球亚基(Immunoglobulin, Ig),经B淋巴线粒体转化时成,是由两组配对的重链(IgH)和轻链(IgL)经二硫键连接起来组合而成的Y标准型亚基复合体。IgH和IgL分别很强非对称第一区和恒定第一区,其中会非对称第一区依赖性识别系统和紧密结合抗原。非对称第一区的字符遗传由V(D)J自由基(V(D)J recombination)自由基转化时成。以IgH残基为例,在人和人体内遗传组中会IgH残基穿过数百万碱基对(megabase, Mb),由数百个V、十多个D、多个J遗传电子元件以及一大调控序列组成。在前体B淋巴线粒体(progenitor B cell, 简称pro-B)发育操作过程中会,V(D)J自由基自由基通过RAG内切蛋白酶催化时撕裂一个D遗传和一个J 遗传电子元件进而通过非同源重组末下端连接起来(NHEJ)路径连接起来撕裂电子元件从而转化时成DJH中会间衍生物,接着先经过RAG 和NHEJ催化时撕裂和连接起来一个VH遗传到DJH中会间衍生物上,终于转化时成一段完整的IgH非对称第一区字符遗传VHDJH。V(D)J自由基自由基转化时成大量非对称第一区字符遗传库是组合而成免疫多样性的关键分子结构基础之一。

V(D)J自由基自由基中会数量一大的V、D、J遗传电子元件如何被RAG内切蛋白酶识别系统和切削从而参予转化时成比较多样化时的非对称第一区字符遗传库是一个长期不存在且引人入胜的核心疑问。尽管很多研究课题从(表观)遗传学某种程度揭示了环境因素V(D)J自由基的多种环境因素,但是这一自由基操作过程确切是如何先次发生的并不似乎。

相较人们直至据信的基于随机散布的自由基操作过程,近年来巴特勒·库珀医学研究课题所(HHMI)、哈佛学院(HMS)和匹兹堡儿童医院(BCH)的Frederick W. Alt美国国家科学院Laboratory通过一系列指导工作暗示V(D)J自由基自由基很意味著是通过RAG细胞器显像(RAG chromatin scanning)的离散化时数学方法督导的。该Laboratory晚期开拓性地挖掘出RAG很强离散化时“”(tracking)和切削遗传组很强特定方向的off-target序列的活性,并且该活性范围与汇聚标准型(convergent)CTCF紧密结合电子元件(CTCF-binding element, CBE)转化时成的遗传组内层核糖体(loop domain)寻常。紧接着,该Laboratory通过研究课题一类设在人体内IgH残基D外侧VH遗传下游紧邻的CBE的功能时必要性重申了或许基于细胞器内层除去(loop extrusion)程序的RAG细胞器显像的离散化时数学方法,该数学方法需要很好的解释外侧VH-to-DJH的自由基操作过程以及该操作过程中会CBE的关键依赖性。该Laboratory随后发表的另一篇撰文通过一系列实验暗示该数学方法也很好解释了生理上的截图性D-to-JH自由基疑问,并必要性暗示细胞器内层除去在该自由基操作过程中会起到关键依赖性。然而,有关RAG细胞器显像的指导工作程序以及更关键的一大分隔于Mb以以外的远距V遗传是如何自由基的等疑问即便如此不似乎。

2020年7月27日,来自巴特勒·库珀医学研究课题所(HHMI)、哈佛学院(HMS)和匹兹堡儿童医院(BCH)的Frederick W. Alt美国国家科学院以及国立健康研究课题所(NIH)的Rafael Casellas研究员团队在Nature杂志以Accelerated Article Preview表现形式在线发表了题为“CTCF orchestrates long-range cohesin-driven V(D)J recombinational scanning”的研究课题撰文(巴钊庆Dr为本文第一作者身兼都由通讯系统作者,娄江曼Dr为都由一作)。该撰文揭示了沾黏亚基cohesin内皮细胞的细胞器内层除去涡轮机IgH残基离散迁移从而提供RAG显像的底物,并且揭示了CTCF在该程序上调控远距VH自由基中会的关键依赖性,由此为该领可定义长期不存在的一个核心疑问提供了新的见解。

为了研究课题RAG细胞器显像的涡轮机力疑问,科学家据信cohesin或许是一个关键q。为了证明此见解,研究课题人员配上了人体内光明化时的v-Abl pro-B线粒框架。该线粒框架经游离后能长期安定生存于线粒体周期的G1期,能大量酪氨酸RAG内皮细胞的D-to-JH自由基、少量酪氨酸外侧而基本上不能酪氨酸远距的VH-to-DJH自由基。早先在该线粒框架的研究课题声称了其先次发生的D-to-JH和外侧VH-to-DJH正是通过RAG显像内皮细胞的,那么在该线粒框架中会除去cohesin会怎样呢?科学家采用生长素游离亚基甲醛元(auxin-inducible degron, AID)策略性在该线粒框架之中相结合了cohesin复合物关键qRad21的AID甲醛框架(Rad21-degron),通过移除auxin更快甲醛Rad21。紧接着,科学家通过ChIP-seq声称了全遗传组包含IgH残基cohesin的紧密结合基本上全部消退,而IgH 残基RNA活性以及推断的细胞器互作及V(D)J自由基需遗传的RNA或表达均没有贞着变异。科学家进而通过巴钊庆Dr早先开发的3C-HTGTS挖掘出相应的IgH残基上基本上所有的细胞器内层核糖体都消退了,这与早先在其它类标准型线粒体中会的挖掘出一致,即cohesin对于细胞器内层除去转化时成内层核糖体是需的。比较奇怪的是的是,科学家必要性通过深入研究Rad21甲醛前后D-to-JH和外侧VH-to-DJH的变异挖掘出,Rad21甲醛基本上减轻了所有外侧VH-to-DJH自由基,剧烈减少了基本上所有的D-to-JH自由基,除了设在RAG移动性硫化时物的V(D)J自由基其中会心(recombination center, RC)内部的DQ52电子元件的自由基。早先的研究课题暗示,DQ52由于其属于RC的位置特殊性,可以通过散布相似RAG而先次发生自由基,因此其自由基并不显然依赖cohesin内皮细胞的内层除去操作过程。

为了更快地探究cohesin缺少的物理现象,研究课题在Rad21-degron系统之中通过CRISPR/Cas9必要性放除了IGCR1电子元件,早先挖掘出IGCR1缺少后RAG显像增强至IgH外侧VH第一区可定义从而加剧外侧VH特别是VH81X遗传的自由基急剧升高,那么在此一新缺少了cohesin会怎样呢?科学家挖掘出Rad21甲醛依然基本上减轻了所有增强了的外侧VH-to-DJH自由基,同时也剧烈减少了基本上所有的D-to-JH自由基,先一次,只有DQ52自由基即便如此需要先次发生。相对应的,Rad21甲醛同时减轻了IgH残基所有的细胞器内层结构,包含由于IGCR1缺少而加剧的相当大增强了的RC与外侧VH之间的内层相互依赖性。这些结果都由暗示cohesin极意味著通过其内皮细胞的细胞器内层除去内皮细胞了RAG显像所督导的D-to-JH和外侧VH-to-DJH自由基操作过程。

除了外侧VH遗传,数百个远距VH遗传是如何相似RAG而先次发生远距离自由基呢?直至以来人们据信远距VH或许通过一种IgH固有的“残基紧缩”(physical locus contraction)操作过程进行时自由基。在该数学方法中会,远距VH残基以某种未曾知程序相似并内层绕RAG硫化时物的自由基其中会心从而使得每个VH遗传以随机散布的方式相似RAG而自由基。由于不够说明的程序支撑,该数学方法直至属于新理论阶段。本文科学家据信相较该随机散布数学方法,与D和外侧VH遗传自由基十分相似,远距VH遗传或许也是通过离散RAG细胞器显像操作过程得以相似RAG而完毕自由基。那么如何证明这一点呢?科学家无视了一个巧妙的策略性。

科学家首先进行时了大胆阿贝尔:在VH第一区可定义,除了数百个VH遗传以外还不存在着数量一大的CTCF紧密结合电子元件CBEs;外侧VH邻近CBE在RAG显像操作过程中会除了需要增强与其邻近的VH对于RAG的accessibility从而增强其自由基技能,还额以外阻延了RAG必要性显像其上游的其它外侧VH进而移向了其自由基潜力;虽然一大远距VH遗传之间的CBE的确切功能尚未曾可知,但这些CBE前提与外侧CBE十分相似需要逐步阻延RAG上游显像操作过程,从而环境因素整个远距VH的自由基经验?必要性紧密结合他们的挖掘出,其暗示与人体内经常性前体B线粒体相比,其衍生出来的v-Abl线粒框架只能进行时少量的外侧VH自由基,而不能进行时远距VH自由基;相应的,该线粒框架中会IgH自由基其中会心丢失了与远距VH残基的内层结构互作,而只不存在少量与外侧VH残基的互作。其诱因直至未曾知,如果这是由于一大CBE对内层除去内皮细胞的RAG离散显像的阻延物理现象所加剧的,那么选择性或去除所有这些CBE,真的就能原先酪氨酸远距VH的自由基?

为了验证这一点,科学家在v-Abl线粒框架相结合了CTCF-degron甲醛框架。移除auxin在全面性水准上更快甲醛CTCF后,ChIP-seq声称CTCF 甲醛减轻或相当大上调了CTCF本身以及cohesin在遗传组包含IgH上多数CBE残基的紧密结合;奇怪的是的是,仍有一些CBE残基被未曾能显然甲醛而“残留的”CTCF亚基紧密结合,相比之下是那些属于远距VH第一区可定义很强移动性RNA活性的残基。被游离甲醛后CTCF在细胞器水准上的非均一的紧密结合变异或许反映了相异CBE残基自身的CTCF紧密结合活性、局部细胞器内层境或其它未曾知环境因素。必要性的GRO-seq声称CTCF甲醛未曾有贞着环境因素IgH自由基其中会心和VH相比之下远距VHRNA,也未曾环境因素任何推断或许参予细胞器相互依赖性和V(D)J自由基的q的RNA,暗示CTCF甲醛后的线粒体即便如此很强VH相比之下远距VH自由基的经验。紧接着,科学家通过3C-HTGTS挖掘出,比较奇怪的是的是,CTCF甲醛强烈回复了v-Abl线粒框架所丢失的RAG所在自由基其中会心和基本上整个远距VH第一区可定义的细胞器内层结构互作,并且与人体内经常性前体线粒体内的互作移动性十分相似,暗示CTCF甲醛后IgH残基的细胞器内层除去恢复依赖性到远距VH第一区可定义。那么相应的,远距VH前提也回复了自由基技能呢?

正确是肯定的!科学家必要性检测了V(D)J自由基变异,挖掘出CTCF甲醛比较贞着地、甚至有时相当大地酪氨酸了绝多数VH,包含远距VH的自由基技能,并且与人体内经常性前体B线粒体相比,虽然并不100%一致,CTCF甲醛后的v-Abl线粒框架即便如此表现出全面性上比较十分相似的VH自由基频率和方式上。相应的,CTCF甲醛后的v-Abl线粒框架在VHDJH和DJH自由基的相对比率上贞着减小并比较相似经常性人体内前体B线粒体中会的数值,暗示VH自由基在全面性水准上也或许相当大增强了。另以外,科学家还通过深入研究RAG内皮细胞的off-target切削活性挖掘出只有在CTCF甲醛后的线粒体中会RAG才高频切削了整个VH第一区可定义很强特定方向的off-target残基,必要性支持者了CTCF放除使得RAG显像需要依赖性于整个VH第一区可定义从而内皮细胞远距VH自由基的假设。

此以外,科学家还必要性研究课题了CTCF-degron框架建立操作过程中会转化时成的其它中会间态的线粒框架中会远距VH自由基与CTCF亚基水准以及潜在活性之间的关系:挖掘出CTCF C下端插入内皮细胞甲醛的AID-GFP电子元件贞着降低了CTCF亚基水准,相应的远距VH开始先次发生自由基;未曾经auxin处理方式的CTCF-degron框架不存在leaky CTCF甲醛,使得CTCF亚基水准必要性降低,相应的远距VH自由基程度更快;必要性的auxin处理方式基本上甲醛了全面性CTCF亚基水准,相应的远距VH自由基更为剧烈。这些结果暗示远距VH自由基对于CTCF亚基水准以及潜在的活性的变异敏感,即后者的上调对于酪氨酸RAG显像远距VH内皮细胞其自由基很强关键的更必要性依赖性。最后,必要性通过示范各种组学信息进行时更细致的深入研究,科学家视为在CTCF活性上调操作过程中会VH的自由基或许受到残留CTCF紧密结合残基以及VHRNA水准的环境因素,从而揭示了在形态上人体内相异VH可定义或许无视了相异的策略性保证各VH的自由基经验。

基于上述实验挖掘出和深入研究,科学家最后重申了cohesin和CTCF参予的细胞器内层除去内皮细胞的RAG显像进行时VH遗传自由基的数学方法,并视为在人体内B线粒体早期发育操作过程中会不存在直接调控CTCF/CBE阻延物活性、或者通过调控cohesin等其它内层除去q活性从而间接克服CTCF/CBE的阻延物理现象从而允许cohesin内皮细胞的内层除去操作过程涡轮机RAG显像整个VH第一区可定义而实现VH的自由基。

总体而言,该研究课题大胆假设并新设计和无视了巧妙的实验策略性不仅可知了cohesin内皮细胞的内层除去操作过程在RAG显像操作过程中会的关键涡轮机依赖性,并且第一次揭示对单个CTCF亚基水准的调控可以酪氨酸慢速VH自由基操作过程。据我们了解得知,该指导工作在遴选操作过程中会受到多位审稿人的移动性评价,审稿人不仅肯定了其在免疫非对称第一区多样化时程序疑问上提供了“clear and sharp answer”,还肯定了其挖掘出对于更少见的遗传组细胞器结构及遗传RNA的适度同样很强关键的意义。审稿人直接写道:“These findings establish a new paradigm for the V-to-DJ recombination step of antigen receptor gene assembly. The findings also lead to a pleasing mechanistic simplification and unification, in that now, all recombination events taking place outside of the RC at Igh (and perhaps other loci) can be envisioned to be operating by a single fundamental scanning mechanism. This is destined to be a landmark study for the field.”

例外的是,比这篇撰文稍早投稿并接收最近在Nature在线发表的另一篇研究课题撰文揭示人体内前体B线粒体中会cohesin细胞器紧密结合活性的胜调控qWapl的RNA水准与IgH残基慢速细胞器相互依赖性以及VH自由基胜相关,并必要性挖掘出WaplRNA水准上调的前体B线粒体中会cohesin在细胞器上的停留时间减小(详见BioArt报道:Nature | 沾连亚基无罪释放qWapl促进V遗传自由基的程序)。早先在多种其它线粒体中会已声称Wapl水准上调需要全面性上通过延长cohesin细胞器停留时间从而克服汇聚对齐CBE电子元件对内层除去操作过程的阻延物理现象从而延长细胞器内层核糖体。基于此,该撰文视为人体内前体B线粒体通过在RNA水准上调低Wapl从而促进IgH残基内层除去内皮细胞的VH遗传自由基。论述起来,这两篇撰文从相异某种程度利用相异策略性终于揭示了一个内在标准化时的免疫重链V遗传自由基的关键程序。

原始说是:

Zhaoqing Ba, Jiangman Lou, Adam Yongxin Ye,et al.CTCF orchestrates long-range cohesin-driven V(D)J recombinational scanning.Nature.Published: 27 July 2020

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