Cell封面文章：不同寻常的抗体

　　

生物通报道  几千年来人类一直饲养奶牛以获取牛肉、牛皮和牛奶。现在看来奶牛的免疫系统似乎还能够提供一些别的东西。由斯克里普斯研究所（TSRI）的科学家领导的一项新研究，将焦点放到了一个不同寻常的奶牛抗体家族上，为人类制药指出了新的途径。这项研究工作被选作封面故事发表在6月6日的《细胞》（Cell）杂志上。

该研究的课题负责人、TSRI细胞与分子生物学助理教授Vaughn V. Smider说：“此前在其他动物的抗体中，未曾看到过与这些抗体相同的结构和多样性产生机制。”

对抗感染

抗体是我们免疫系统的一个组成部分，这些大的蛋白质形状与龙虾相似——有一个尾部和两个相同的抓取特异性靶标（称作为“抗原”，通常是细菌或病毒的元件）的臂。存在于每个臂的端点上的一组互补决定区（CDRs）是实际负责抓取抗原的区域。通过重排和突变编码CDRs的基因，动物免疫系统可以生成广泛多样的抗体群，它们可以共同结合身体内所有的外源入侵物。

在人类和大多数其他哺乳动物中，最大的CDR区域——CDR H3决定了大多数抗体的靶标特异性。研究人员一直在寻找线索，证实该区域一个不同寻常的长版本，有时可能是成功对抗危险性感染的关键。例如，在去年8月《自然》（Nature）杂志上报告的一项研究中，TSRI整合结构与计算机生物学系主任、结构生物学教授Ian A. Wilson，和合作者们分离出了一种带有长CDR H3区域的抗HIV抗体（是正常长度的2倍），这种抗体能够抓住病毒的一个重要结构，由此中和大多数HIV病毒株的感染力。

这篇Cell论文的作者、德克萨斯A&M兽医学和生物医学科学学院(CVM)助理教授Waithaka Mwangi认为，考虑将这些长的CDRs作为探针，放在一个能够纳入狭窄缝隙的细长支架上，这样就可以超越普通的抗体，接触和结合到独特的隐藏病原体决定簇。

向大自然学习

近来关于这些抗体的研究报告引起了Smider的兴趣，Smider的研究领域之一就是寻找生成治疗性抗体的新途径。“我们开始思考，如何能够生成这些在人体内稀少的长CDR3s，我们从文献中得知，奶牛一直生成较长的CDR3s，”他说。

为了探讨这一课题，TSRI和CVM的研究人员展开了合作。研究小组对这些不寻常的长CDR H3奶牛抗体进行了详细的结构和序列分析，深入了解了天然生成这些抗体的机制，以及在实验室中有可能如何设计制造这样的结构。

第一作者、TSRI的博士后王峰（Feng Wang，音译）与Schultz、Smider领导研究，纯化了长CDR H3奶牛抗体，并分析了它们的对应基因序列。共同第一作者、Wilson实验室的研究生Damien C. Ekiert，将长CDR H3抗体样本结晶，利用X射线晶体学确定了两个代表性的抗体的3D原子结构。

虽然Wilson人类抗HIV抗体中的长CDR H3蛋白结构看起来不寻常，奶牛抗体中的对应结构在已知的动物抗体世界中却是独一无二的：一个长“茎”元件的顶部有一个抗原结合“圆球”。编码这一圆球结构的DNA序列显示半胱氨酸异常丰富。

有效的进化途径

分析这些DNA序列表明，在生成这些抗体的奶牛B细胞中，编码圆球的基因片段极有可能形成了点突变，导致半胱氨酸增加或减少。这些微小的突变导致生成或是消除了该结构上一些抓取抗原的环。“这是进化出新的蛋白质折叠的一个非常有效的途径，”王峰说。事实上，它似乎是奶牛免疫系统生成不同的长CDR H3抗体的主要途径。

在奶牛中，这些抗体几乎完全是通过长CDR H3上的圆球来结合到病毒上，表明这些抗体在免疫系统中具有重要的功能。“第一次，我们获得一个超长的、结合到一个真实病原体上的CDR3抗体，”Mwangi说。

奶牛免疫系统为何要进化生成这样的抗体仍是一个有待解答的问题，Smider怀疑这与奶牛不同寻常的、包含4个胃室的胃有关，它的胃中具有大量的细菌和其他微生物。“如果其中的一些微生物从胃进入到血液或其他组织中，有可能会引起一些非常严重的感染；因此我们提出了一个假说来解释奶牛具有这样一种不同寻常免疫防御的原因。”

在这些抗体上的CDR H3所具有这种茎-圆球结构也显示出，它们进化到可抓取一种特殊的抗原类型。Smider说：“我们首先想到的是细胞壁中的离子通道或孔结构。在任何情况下，我们都希望弄清楚这些圆球靶向的结构是否存在于致病微生物上。”

应用于现实世界

Smider、Schultz和王峰希望能够利用长CDR H3抗体的潜在能力，实现各种各样的人类医学（或许还有兽医）应用。“我们正采用一种方法，用目的抗原免疫奶牛，看看我们是否能够找到利用这些细长的CDR H3 蛋白中和抗原的抗体，”王峰说。

Smider说，另一种方法就是在实验室中生成广泛的长CDR H3库，选择具有理想效应的这些抗体。“你发现一些意想不到的事物，并有机会深入地研究它，然后将之开发为真正的生物医学应用，这在科学界有些罕见。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Reshaping Antibody Diversity

Some species mount a robust antibody response despite having limited genome-encoded combinatorial diversity potential. Cows are unusual in having exceptionally long CDR H3 loops and few V regions, but the mechanism for creating diversity is not understood. Deep sequencing reveals that ultralong CDR H3s contain a remarkable complexity of cysteines, suggesting that disulfide-bonded minidomains may arise during repertoire development. Indeed, crystal structures of two cow antibodies reveal that these CDR H3s form a very unusual architecture composed of a β strand stalk that supports a structurally diverse, disulfide-bonded knob domain. Diversity arises from somatic hypermutation of an ultralong DH with a severe codon bias toward mutation to cysteine. These unusual antibodies can be elicited to recognize defined antigens through the knob domain. Thus, the bovine immune system produces an antibody repertoire composed of ultralong CDR H3s that fold into a diversity of minidomains generated through combinations of somatically generated disulfides.