摘要：哈佛大學的研究人員證實了人類免疫系統(tǒng)并非隨機地針對病毒蛋白某個位點產生抗體，免疫顯性公共抗體反應——偏向對病毒某些表位產生抗體反應，是由種系編碼的氨基酸結合(GRAB)基序驅動的，這對病毒施加的選擇性壓力會影響宿主-病原體共同進化，也可對疫苗設計產生影響。

盡管抗體庫有著巨大的多樣性，但已有尚未明確證實的跡象表明，人類的免疫系統(tǒng)并非隨機地針對病毒蛋白質的任意位點。不同的個體在暴露于某種病原體后會產生針對抗原中完全相同的表位的抗體。免疫顯性公共抗體反應是一種廣泛共享的對病原體的免疫反應，在不同的人身上，病毒蛋白質上相同的表位最終會被相同的抗體(公共抗體)靶向，這種現(xiàn)象背后的免疫機制尚不清楚。這一對“某些抗原表位的偏向”現(xiàn)象似乎反映了我們免疫系統(tǒng)的高效傾向，但有時卻會讓我們變得脆弱。也就是說，它可能會導致我們總是重復產生針對相同靶點的抗體，即使這些抗體沒有保護作用。或者，它可以給SARS-CoV-2等病毒提供一種逃避免疫反應的簡單方法。例如，一種病毒可以使少數(shù)目標殘基發(fā)生突變，從而獲得戰(zhàn)勝許多人普遍擁有的抗體的能力。

抗體是由發(fā)生在免疫球蛋白重鏈和輕鏈基因中的DNA重組機制產生的，其中模塊化的VDJ(重鏈)和VJ(輕鏈)基因片段組合組裝而成。抗體庫的巨大復雜性使得許多物種可以產生針對幾乎任何蛋白質的抗體。然而，當不同的個體暴露于特定的病原體時，他們通常會對病原體的相同精確的蛋白質區(qū)域(或表位)產生抗體反應。這些反復出現(xiàn)的抗體對免疫顯性“公共表位”的反應機制尚不清楚。在這項研究之前，有跡象表明，人類的免疫系統(tǒng)并不是隨機地針對病毒蛋白質的位點。在一些孤立的例子中，研究人員發(fā)現(xiàn)不同個體之間會出現(xiàn)同樣的——鎖定相同的病毒蛋白質位點(稱為表位)——的抗體反應。

根據(jù)哈佛大學的研究人員領導的一項新研究表明，由于種系編碼的氨基酸結合(GRAB)基序，抗體的產生遠非隨機的。GRAB基序代表了抗體庫結構的種系編碼成分，使抗體易于識別特定結構，從而影響表位的選擇和組成。這項名為“種系編碼的氨基酸結合基序驅動免疫顯性公共抗體反應”的研究報告發(fā)表在《Science》雜志上。

圖1 研究表明由于種系編碼的氨基酸結合(GRAB)基序，抗體的產生遠非隨機的

該團隊使用了Brigham和哈佛醫(yī)學院教授Stephen J. Elledge實驗室在2015年開發(fā)的一種名為VirScan的噬菌體展示平臺——用于展示篩選覆蓋整個人類病毒的肽庫，以高通量方式從一大群個體中識別抗病毒抗體的表位。該工具可以檢測數(shù)千個病毒表位(抗體識別和結合的病毒上的位點)，并從一滴血中提供一個人的免疫歷史的快照。在這項新研究中，研究人員使用VirScan分析了來自美國、秘魯和法國參與者的569份血液樣本。他們發(fā)現(xiàn)，識別公共表位是人類抗體反應的一個普遍特征，許多人類V基因片段含有種系編碼的氨基酸結合(GRAB)基序，這些基序結合特定的氨基酸，對抗體識別至關重要。此外，對小鼠和人類GRAB基序的比較發(fā)現(xiàn)只有部分重疊，這可能解釋了不同物種偏向針對不同的公共表位。

通過以高分辨率繪制來自51種病毒的376個免疫顯性“公共表位”，并表征它們的幾種同源抗體，研究人員得出結論：抗體中的種系編碼序列驅動了重復性識別。對抗體-抗原結構的系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，在重V基因段和輕V基因段中，有18個人類和21個部分重疊的小鼠種系編碼氨基酸結合(GRAB)基序（motif），在案例研究中，這些基序被證明對公共表位識別至關重要。GRAB基序代表了免疫系統(tǒng)結構的一個基本組成部分，它促進了病原體的識別，并導致了物種特異性的公共抗體反應，可以對病原體施加選擇性壓力。GRAB基序對應于特別擅長挑選特定氨基酸的抗體區(qū)域。它們有助于解釋為什么人類抗體傾向于集中在這些氨基酸可以結合的區(qū)域，從而反復結合相同的點。少量的突變可以幫助病毒避免被這些共享抗體檢測到，使病毒重新感染先前免疫的人群。

他們繪制了來自51種病毒的376個免疫顯性公共表位的單氨基酸分辨率。來自不同個體的識別同一公共表位的抗體通常(i)共享輕鏈同型(kappa或lambda)和(ii)結合表位中相同的精確關鍵殘基。公共表位顯示出偏倚的氨基酸組成，包括在公共表位的邊界賴氨酸顯著富集，由lambda輕鏈抗體識別。他們詳細檢查了50個B細胞受體識別三種模式公共表位，并觀察到保守的V基因片段使用，但幾乎沒有重鏈CDR3序列的保守，這表明關鍵特異性決定因素位于V基因片段本身。PDB中抗體-抗原復合物的結構分析揭示了18個人V基因片段，這些片段含有種系編碼的氨基酸結合(GRAB)基序，這些基序專門與特定的氨基酸結合。其中包括6個密切相關的lambda V基因片段，具有類似的針對邊界賴氨酸的GRAB基序。他們證實，鑒定的GRAB基序對于兩種模型公共表位的抗體識別至關重要。對小鼠抗體-抗原結構的分析顯示，21 V基因片段編碼的GRAB基序僅與人類GRAB基序部分重疊，這可能解釋了為什么跨物種識別的公共表位之間幾乎沒有重疊。因此，人類對免疫顯性公共表位的體液免疫反應的顯著趨同和不同物種對公共表位的不同選擇似乎有一個結構基礎。

抗體對免疫顯性公共表位的反復反應是體液免疫的一般特征，是由GRAB基序驅動的，GRAB基序是抗體庫結構的一種種系編碼成分，易于使抗體識別特定結構，從而影響表位的選擇和組成。公共表位的出現(xiàn)可能部分是因為它們最容易被GRAB基序識別，因此可以與相對較大的B細胞前體庫結合。GRAB基序的進化可能是為了確保有效的抗體對病原體的反應;它們在種群中產生的反復反應可能對病原體施加選擇壓力，并影響宿主-病原體的共同進化。

圖2 抗體對免疫顯性公共表位的反復反應是由GRAB基序驅動

“我們在免疫系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了一種潛在的結構，它會導致人們，無論他們生活在世界上哪個地方，產生基本上相同的抗體，讓病毒能夠避開極少數(shù)的目標，從而重新感染人們，并繼續(xù)擴大和進一步進化。”有趣的是，研究小組注意到，非人類物種產生的抗體可以識別與人類識別的不同的公共表位。而且，雖然一個人更有可能產生針對公共表位的抗體，但有些人確實會產生更罕見的抗體，這可能更有效地保護他們免受再次感染。這些見解可能對開發(fā)針對COVID-19的治療方法(如單克隆抗體)以及疫苗設計產生重要影響。“越獨特的抗體可能讓病毒越難以逃避。”“在我們考慮設計更好的療法和疫苗時，(這一點)很重要。”“我們的研究可能有助于解釋我們在COVID-19大流行期間看到的許多模式，特別是在再次感染方面，”通訊作者、Brigham和哈佛醫(yī)學院教授Stephen J. Elledge博士表示：“我們的發(fā)現(xiàn)可以幫助了解免疫預測，并可能改變人們對免疫策略的看法。”

[1]Germline-encoded amino acid–binding motifs drive immunodominant public antibody responses