One ring to rule them all
作者：FerencLivak & André Nussenzweig
远处的DNA区域并置在一起，形成不同的免疫系统基因，编码抗体和T细胞受体。这两种类型的基因似乎都是依靠通过一个叫做凝聚蛋白的蛋白质环挤压DNA而形成。
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我们对抗众多潜在致病因子的能力取决于一个叫做重组的过程，重组可以通过不同的方式发生。重组控制DNA序列，使我们的身体产生免疫系统识别成分的巨大多样性：抗体和T细胞受体（TCR）。张等人**[1,2]**在同一实验室发表的两篇《Nature》论文揭示了这些类型重组事件发生的意想不到的相似之处。
在培养免疫系统细胞的过程中，一个叫做重组的过程利用一个由三类基因片段（叫做V、D、J）组成的大池重新排列基因序列来组装编码抗体或TCR。这些基因片段的两侧是进化上保守的叫做重组信号序列的基因序列，这些序列指导酶RAG以惊人的多种组合将一个病毒片段和一个基因片段连接在一起，有时也将一个基因片段连接在一起。这些连接片段之间的插入脱氧核糖核酸通常会被删除，尽管在极少数情况下，当两个基因片段连接在一起时，脱氧核糖核酸反而会被反转并保留下来。这种重组过程使抗体和TCR能够具有被称为可变结构域的不同蛋白质结构域，这些结构域识别被称为抗原的蛋白质片段。正是抗原识别域的这种多样性，使免疫系统能够对各种致病因子做出有效反应。
编码抗体的基因有时会进一步细化，改变单个脱氧核糖核酸碱基(产生所谓的体细胞点突变)，以增强抗体识别抗原的能力。这些基因中的脱氧核糖核酸也可以经历一系列不影响抗原识别的改变，称为抗体类别转换重组(CSR)，相反，它们赋予抗体不同的效应子功能，如结合粘膜表面或帮助其他免疫细胞处理感染的能力。
V(D)J重组是由重组抗原引发的（RAG），而抗体编码序列中的体细胞点突变和CSR是由一种被称为重组抗原（AID）的脱氧核糖核酸突变酶引发的。RAG和AID引起基因组广泛改变的潜在力量是危险的，所以它们的作用需要限于靶序列，在这些序列上，可以利用脱氧核糖核酸的改变来进行宿主防御。
紧密包裹在人类细胞核内的DNA-蛋白质复合物染色质，形成了成千上万个不同大小的环，这些环被称为粘着蛋白的蛋白质复合物的环状结构锚定在它们的基部**[3]。当粘着蛋白的分子运动成分通过粘着蛋白环主动挤压染色体，直到染色质遇到“障碍”时，这些环就形成了。这可能是在染色质进入环之前或正在进入时形成的，典型的情况，是如果脱氧核糖核酸已经结合到CTCF蛋白上。大环的粘着蛋白依赖性挤出将染色质分隔成称为拓扑相关结构域的离散区域，而较小的环使得调控性的脱氧核糖核酸序列，例如位于线性脱氧核糖核酸序列中相距较远的增强子和启动子，能够彼此相邻放置，以驱动基因表达。张及其同事的工作表明染色质环的挤出也是V(D)J重组和CSR的基础(如图1)[1,2]。
在V(D)J重组过程中，重组抗原（RAG）被招募到修饰的与脱氧核糖核酸结合的组蛋白中，这些组蛋白在含有抗体或TCR编码的J基因的染色体的小区域中以高水平积累。这产生了一个VDJ重组中心，其中RAG结合了位于基因片段侧面的RSS基序**[4]。然后，RAG以线性方式扫描染色体的其余部分，以定位另一个更远的基因片段的RSS[5]**。一旦兼容的聚合酶被对齐，重组遗传工程引入脱氧核糖核酸断裂来启动这两个聚合酶之间的重组。RAG锚定在VDJ重组中心，这就提出了在扫描过程中脱氧核糖核酸如何移动的问题。
图1 |DNA环的挤压有助于一个叫做class-switch重组的过程。
张等人意识到染色质环挤压可以解释这种脱氧核糖核酸的运动**[1]。在这个模型中，当内聚蛋白在VDJ重组中心用一个与聚合酶结合的重组抗原组装后，内聚蛋白通过它的环“缠绕”脱氧核糖核酸，使环中的聚合酶有可能找到一个与聚合酶结合的兼容聚合酶进行重组。该模型得到了作者实验的支持，包括他们的证明，即通过粘着环阻断脱氧核糖核酸的运动会使重组事件偏向于在脱氧核糖核酸运动被阻断的位点附近的重组靶向核糖核酸。重要的是，这个模型中的定向脱氧核糖核酸扫描机制也解释了在脱氧核糖核酸重组过程中缺失而不是倒位事件的压倒性优势，这一直是一个无法解释的难题。早期的研究表明[6]**，粘着蛋白结合元件(某些抗体基因片段旁边的脱氧核糖核酸基序)是脱氧核糖核酸重排模式的主要决定因素，以及由此产生的抗体储备，一个令人信服的模型出现了，染色质环挤压有助于脱氧核糖核酸重组。
CSR在概念上是一个类似于重组的过程，尽管在酶方面有所不同。张等人研究了凝聚素驱动的脱氧核糖核酸环挤压是否也是CSR的基础**[2]。在CSR中，AID在抗体编码基因的特定“转换区”引入多点突变，最终导致脱氧核糖核酸断裂[7]。不同于V(D)J重组，重组抗原介导的脱氧核糖核酸切割依赖于一对相容的脱氧核糖核酸的组装——重组抗原在单个脱氧核糖核酸位点上引起突变，从而在随后连接在一起的开关区对齐之前或之后导致脱氧核糖核酸断裂[7]**。
作者提出，与VDJ重组中心发生的事件类似，CSR中心在抗体编码基因的一个特定开关区域(称为Sμ)上形成。先前的研究倾向于将扩散作为导致类转换过程中脱氧核糖核酸排列的机制**[7]，而张及其同事的工作支持基于内聚蛋白的环挤压排列两个转换区域以使它们重组的观点(如图1)**。因此，这两项研究为V(D)J重组和CSR的统一模型提供了令人信服的证据。它还在染色质结构动态调节的基础上，将这些过程与基因表达调控联系起来。
这个模型提供了可测试的预测，并提出了许多问题。例如，凝聚素是如何被招募到VDJ和CSR重组中心的？来自特定细胞谱系的粘着蛋白缺失会导致缺陷性V(D)J重组和**[8]粘着蛋白的丢失消除了染色体上的所有环[9]**。然而，这种改变对CSR的影响仍有待确定。
环挤压在脱氧核糖核酸中产生扭转应力，凝聚素通过瞬时破坏脱氧核糖核酸来招募拓扑异构酶IIB来缓解这种应力**[10]**。因此，通过缠绕来调节基因表达或实现基于重组的免疫多样化，可能会导致染色体易位这种染色体异常，从而导致癌症。很像脱氧核糖核酸环本身，这些对染色体结构作用的深入研究，可能有助于揭示以前被认为是分离的区域之间的联系。
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参考文献
1. Zhang, Y._et al. Nature _573, 600–604 ().
2. Zhang, X.et al._Nature _/10.1038/s41586-019-1723-0().
3. Rao, S. S._et al. Cell _159, 1665–1680 ().
4. Ji, Y._et al. Cell _141, 419–431 ().
5. Hu, J._et al. Cell _163, 947–959 ().
6. Jain, S., Ba, Z., Zhang, Y., Dai, H. Q. & Alt, F. W._Cell _174, 102–116().
7. Dong, J._et al. Nature _525, 134–139 ().
8. Seitan, V. C.et al._Nature _476, 467–471 ().
9. Rao, S. S. P.et al._Cell _171, 305–320 ().
10. Canela, A.et al. _Cell _170, 507–521 ().
