如何让免疫系统产生丰富抗体？请观赏染色质环的「魔法」

医疗发现

2026-06-10 14:31:33

收录于专题：首都医学科学创新中心

来源：首都医学科学创新中心

撰文｜范炎炎（2024 级博士研究生）、宋明坤（2025 级博士研究生）

审核｜张昱

2026 年 4 月 15 日下午，应首都医学科学创新中心（CIMR）张昱老师的邀请，来自美国哈佛医学院、波士顿儿童医院的 Frederick W. Alt 教授来访，并作了题为「Chromatin Loop Extrusion Differentially Generates Diverse IgH, Igκ, and Receptor Edited Repertoires by Distinct Mechanisms」的学术报告。Alt 教授是免疫学和分子遗传学领域的国际顶尖学者，长期深耕于 V(D)J 重排、DNA 损伤修复机制以及染色质三维结构等研究领域。近年来，他的团队深入揭示了 RAG 核酸内切酶如何利用染色质环挤压（Loop extrusion）机制在 B 细胞发育过程中介导抗体基因（如 IgH 和 Igκ）的重排。这些开拓性的研究深化了我们对免疫系统多样性产生机制以及基因组稳定性维护的认知，为相关免疫系统疾病及肿瘤的发生机制提供了重要的理论基础。

如何让免疫系统产生丰富抗体？请观赏染色质环的「魔法」 — 图 1：Frederick W. Alt 教授报告现场

摘要

V(D)J 重排通过在跨越数兆碱基（Mb）的抗体重链（IgH）和轻链（Igκ）基因座中组装大量 V、D、J 基因片段，构建抗体可变区外显子，是适应性免疫多样性的核心来源。该过程由 RAG 核酸内切酶介导，其识别位于各基因片段两侧的重组信号序列（RSS），并遵循「12/23 规则」实现精确切割。RAG 如何在大尺度基因座上远距离定位 RSS 的机制长期未被阐明。Frederick W. Alt 教授重点阐述了团队的核心发现：RAG 并非随机扩散寻找目标，而是依赖于 cohesin（黏连蛋白）介导的染色质「环挤压」机制进行线性扫描，从而高效搜索并捕获目标 RSS。这一机制在 IgH 和 Igκ基因座中均得到验证。

在 IgH 基因座中，RAG 首先锚定于以 JH-RSS 为核心的重组中心（recombination center, RC），随后沿环挤压递呈的染色质对上游 D 和 VH 片段进行线性扫描，并优先识别与 J-RSS 呈相对（删除）方向的 RSS，从而实现有序的 V(D)J 重排。

在 Igκ基因座中，初级重排主要由 Vκ与 Jκ1 连接启动，此过程中，cohesin 介导的环挤压将不同取向的 Vκ片段递送至以 Jκ1 为核心的 RC 附近，但上游 Cer/Sis 调控元件会物理性阻断 RAG 向远端 Vκ区域的线性扫描，使其形成一个暂时的 RC，通过扩散作用完成首次重排；当初级 Vκ–Jκ1 重排失败时，系统会启动次级重排（受体编辑）。此时，初级重排引发的 Cer/Sis 删除或位移作为关键「发育开关」，将重排模式从基于「双环」的扩散机制转变为基于「单环」的线性扫描机制。新的重排中心可在 Jκ2、Jκ4 或 Jκ5 处建立，使 RAG 能够绕过原有结构屏障，对上游 Vκ片段进行大范围线性扫描。这一发现不仅阐明了 RAG 在大尺度基因座上的靶向搜索机制，也为理解抗体多样性产生及中枢免疫耐受（受体编辑）的分子基础提供了机制层面的新见解。

精彩回顾

一、RAG 核酸内切酶介导的 IgH V(D)J 重组中心 12/23 RSSs 精准切割机制

报告首先回顾了 B 细胞发育早期发生 V(D)J 重排的基本原理与时空调控机制。在骨髓的 Pro-B 细胞阶段，抗体 IgH 基因必须严格遵循「先 D-to-JH，后 VH-to-DJH」的重组顺序（图 2c）。为了确保这一时序逻辑，基因组三维结构发挥了重要的物理隔离作用：IGCR1（Intergenic Control Region 1）元件与 3' Igh CTCF（CCCTC-binding factor）位点锚定形成了一个封闭的 3'染色质环结构域（图 2e）。该拓扑结构将 D 片段「圈禁」在以 JH 和 iEμ增强子为核心的 V(D)J 重组中心（RC）内，同时将上游的 VH 片段有效隔离在外，防止其过早干扰重组（图 2a）。在这种受控的三维空间下，RAG 精准锚定于 RC 内部，将其作为执行切割的物理平台。RAG 能够特异性识别抗体基因片段两侧的重组信号（RSS）。RSS 由较为保守的七聚体序列（heptamer）和九聚体序列（nonamer）组成，中间间隔 12 bp 或 23 bp。在该重组中心内，RAG 利用其独特的 Y 型异二聚体结构（图 2d），严格遵循经典的「12/23 规则」。它首先在 RC 内捕获带有一个 23-RSS 的片段（如 JH），随后通过 cohesin 介导的环挤压机制，接收由线性扫描递呈而来的互补 12-RSS 片段（如 D 片段）。RAG 必须将 12-RSS 与 23-RSS 进行如同「钥匙与锁」般的精确配对（图 2b）。通过这种精密的 3D 空间对齐与生化突触复合物的形成，RAG 在 RC 内部诱导特异性的 DNA 双链断裂，从根本上防止了错误重排，确保了抗体 IgH 基因片段能够高度有序且准确地完成组装（图 2）。

二、环挤压介导 IgH 的线性扫描与有序重组

IgH 基因的精准组装是由生物物理动力学与生化反应精细调控的有序过程。在重组初期，IGCR1 与 3' Igh CTCF 位点形成封闭的 3'环结构域，将 D 片段限制在 RC 内，并将上游 VH 片段隔离在外，防止其过早参与重组（图 3e）。在此空间内，由 cohesin 介导的环挤压像传送带一样拉动染色质，这种线性扫描机制通过对「相对方向」RSS 的严格识别，发生删除型重排（图 3a）。然而，当环挤压将特定片段拉至 RC 的极近距离时，DNA 会进入 RAG 的「扩散半径」（图 3b），从而引发了不依赖扫描、由短程扩散介导的低频倒位重排（图 3b）。当 IGCR1 屏障的限制消除后，RAG 的扫描活性得以向更远端的 VH 区域延伸（图 3c）；在此区域中，CTCF 结合位点作为「物理减速带」发挥了决定性作用，它通过阻碍环挤压、增加特定 VH 片段在 RC 停留的时间，直接赋予了该基因优先重组的能力（图 3c）。正是这种由「环挤压引擎」、「CTCF 减速带」以及「RAG 扫描仪」构成的物理反馈系统，因果相循地保障了抗体基因重排在 Mb 级尺度上的精准性、顺序性与多样性。

三、Igκ基因的初级重排：依赖于 Cer/Sis CBE 平台的扩散机制

与 IgH 基因座不同，Igκ基因座虽然仅包含 4 个 J 片段，但其 Vκ基因库极为丰富，Igκ的初级重排（Vκ与 Jκ1 的连接）依赖于基于 Cer/Sis CBE 平台的双环扩散机制，这使得广泛分布的 Vκ都能被呈递给 Jκ1 重排中心。此过程中，Vκ与 Jκ1 的连接可能有两种方式：当两者呈相对方向时，发生删除型连接；呈相同方向时，发生翻转型连接。Alt 教授的研究阐明，初级的删除型或翻转型 Vκ-Jκ1 重排会在物理上删除或移位 Cer/Sis 元件。这一拓扑学改变如同一个「发育开关」，将原本依赖双环扩散的初级重排机制，直接转换为类似 IgH 的单环线性扫描机制，以用于后续的次级受体编辑重排（连接至 Jκ2-5）。

四、次级重排：线性 RAG 扫描限制了 Igκ次级重排的 Vκ库

在次级重排过程中，新生成的基于 Vκ-Jκ1 的次级重组中心（RC）会沿着上游染色质进行单向线性扫描。然而，次级重排并没有随机利用整个基因座，而是高度局限于紧邻重组中心上游的有限 Vκ片段。机制层面的深入探究发现，高度活跃的 Vκ转录会形成物理扫描障碍，增加了这些区域的染色质可及性与 RC 的互作频率。同时，Igκ本身具有强效的重排信号序列，使得 RAG 在扫描到第一个合适的 Vκ时便迅速达到饱和重排，进一步解释了受体编辑为何主要发生在邻近片段上。