这里介绍的是一个检测,以量化免疫球蛋白重链基因轨迹内的体细胞突变使用细菌中心B细胞从小鼠Peyer的补丁。
在淋巴器官的生殖中心内,成熟的B细胞通过将未平板的突变引入Ig重链基因的可变编码外显子来改变其表达的免疫球蛋白(Ig)。这种体质超突变(SHM)过程需要酶激活引起的环氨酸二胺酶(AID),将脱氧细胞丁(C)转化为脱氧尿素(U)。通过基础切除和不匹配修复途径将 AID 生成的 U:G 错配处理成突变,引入新的 Ig 编码序列,这些序列可能会产生更高的亲和力 Ig。 AID 或DNA修复基因的突变可以阻止或显著改变在Ig loci中观察到的突变类型。我们描述了一个使用荧光激活细胞分拣 (FACS)、PCR 和 Sanger 测序来量化 JH4 直流突变的协议。虽然此测定不直接测量 Ig 亲和力成熟度,但它表示 Ig 可变编码序列中的突变。此外,这些方法还利用常见的分子生物学技术分析多个B细胞克隆Ig序列中的突变。因此,这种测定是研究SHM和Ig多样化的宝贵工具。
B细胞是适应性免疫系统的成员,通过产生抗体(也称为免疫球蛋白(Ig)来识别和消除抗原。每个Ig由两个重(IgH)和两个轻(IgL)链聚肽组成,它们由硫化物键粘在一起,形成Ig1的特征”Y”形结构。IgH 和 IgL 的 N-termini 包括每个聚肽的可变 (V) 区域,它们共同构成了 Ig 的抗原结合位点,而 IgH 的恒定区域则传授 Ig 的效应器函数。在骨髓中培养B细胞,在称为V(D)J重组2、3、4的过程中重新排列IgH和IgL的V编码外子。重新组合的 V exons 的转录,加上各自的恒定区域外因,形成被转换为 Ig 的 mRNA。
表示膜绑定Ig(也称为B细胞受体)的成熟B细胞循环到继发淋巴器官,如脾脏、淋巴结或Peyer的斑块,在那里它们测量抗原的环境,并与免疫系统的其他细胞1相互作用。在二级淋巴器官的生殖中心(GC)内,通过BCR识别抗原的B细胞被激活。在卵泡树突状细胞和卵泡辅助T细胞的帮助下,激活的B细胞随后可以增殖并分化成血浆和记忆细胞,它们是强大的免疫反应5、6、7、8、9的重要影响因素。此外,这些激活的B细胞可以经历继发性Ig基因多样化过程 – 类开关重组(CSR)和体细胞突变(SHM)。在CSR期间,B细胞通过DNA删除重组反应(图1)将IgH多肽的默认μ恒定区域与另一个恒定区域(γ、α、ε)交换。这允许表达一个不同的恒定的exon和翻译一个新的Ig。B 细胞将从表达 IgM 切换到另一个等型(IgG、IgA、IgE)。CSR在不改变其抗原特异性10、11、12的情况下,改变Ig的效应器功能。然而,在SHM期间,B细胞会变异IgH和IgL的V编码区域,从而能够产生和选择更高的亲和力IG,从而更有效地消除抗原13、14、15(图1)。重要的是,CSR和SHM都依赖于一种酶的功能:激活引起的环氨酸酶(AID)16,17,18。缺乏AID的人类和小鼠不能完成CSR或SHM,并存在高升IgM血清滴度或超IgM17,19。
在 CSR 中,AID 在每个恒定编码前体之前的重复开关区域脱氧细胞丁 (C), 将其转换为脱氧尿素 (U)20,21, 这在脱氧尿素和脱氧瓜诺辛 (U:G) 之间创建不匹配的基础配对。 这些 U:G 错配通过基础切除修复 (BER) 或不匹配修复 (MMR) 路径22、23、24、25、26、27、28、29将转换为脱氧核糖核酸重组所需的双链脱氧核糖核酸断裂。在 SHM 中,AID 在 V 编码前体中除名 C。在整个U:G不匹配的复制产生C:G到T:A过渡突变,而去除尿素碱基的BER蛋白,尿素DNA糖酶(UNG),在DNA复制之前产生过渡和变异突变16。UNG中的空突变显著增加C:G到T:A过渡突变21,22。与 CSR 类似,SHM 需要 MMR 和 BER 的互补角色。在 SHM 期间,MMR 会在 A:T 碱基对中生成突变。在MutS同源性2(MSH2)或DNA聚合酶η(Polη)中停用突变显著减少A:T碱基的突变和MSH2中的复合突变,Polη实际上消除了A:T碱基21、30、31的突变。与 BER 和 MMR 在将 AID 生成的 U 转换为过渡或反转突变方面的关键作用一致,MSH2 和UNG(MSH2-/-UNG-)的鼠标仅显示 C:G 到 T:U:G 不匹配21中复制产生的过渡突变。
V编码区域对SHM的分析仍然很复杂,因为开发B细胞可以重新组合IgH和IgL loci1、2、4中的任何V(D)J编码外显子。 准确分析这些独特的重组和体细胞变异的V区域需要识别和隔离克隆的B细胞或Ig mRNA11,13。JH4 intron 是 IgH locus 中最后一个 J 编码 exon 的 3′ ,由于 V 发起器32、33、34的突变 3′ 的扩散而具有体细胞突变,因此在 V 区域31、35(图1)中经常用作 SHM 的代理标记。为了在实验中阐明特定基因或基因突变如何改变SHM模式或速率,JH4因特龙可以从Peyer的贴片(PP)基因中心B细胞(GCBCs)进行测序,这些细胞的SHM36、37、38的速率很高。GCBC可以很容易地识别和隔离与荧光结合抗体对细胞表面标记 (B220+PNAHI)17,39.
提出了一个详细的协议,使用FACS(荧光激活细胞分拣)、PCR和桑格测序(图2)的组合来描述来自小鼠的PP GCBC中的JH4直流突变。
鉴于每个 B 细胞在 V(D)J 重组34期间唯一重组 V 编码段,在异质 B 细胞群的IgH和IgL V 编码序列中对 SHM 进行定性是一个挑战。在本文中,我们描述了一种识别 GCBC JH4 intron 突变的方法。JH4 intron 位于IgH轨迹中最后一个 J 编码段的 3′ 中,用作 V 区域 (图 1) 31、 33 、34、35的 SHM 的代理。为了编目这些JH4直肠突变并评估特定基因如何影响突变的产生或模式,PP GCBC 进行了专门分析。这些细胞积累JH4因肠道微生物群长期刺激而突变。此外,来自未免疫小鼠PP的B220+PNAHI GCBC具有突变光谱,与免疫动物54、55的脾脏GCC相比。然而,JH4因特龙的突变不能与Ig亲和力成熟相关,因为这些突变是非编码的。
为了确定SHM是否改变Ig亲和力,小鼠应在腹腔内用抗原进行免疫接种,如NP(4-羟基-3-硝基甲基)与CGG(鸡伽马球蛋白)或KLH(钥匙孔跛行血红素)56。随后,mRNA 可以从脾气 B220+PNAHI GCBCs 中纯化,以检查 VH186.2 中的 SHM,即最常识别 NP 的 V 编码外号,并在 NP-CGG 或 NP-KLH 免疫 31、57、58、59、60 后发生变异。色氨酸-33在VH186.2中的黄氨酸突变的特点是将Ig亲和力提高到10倍59,60,因此,SHM和克隆选择产生了高亲和力Ig的一个指标。通过 ELISA 测量 NP7 和 NP20 特异性血清 Ig 滴定器,并在免疫过程中计算 Ig 特异性 NP7/NP20 比率,还记录了 V 区17、21、36的 SHM 产生的 Ig 亲和力成熟。这两种测定可用于将 VH186.2 编码序列中的 SHM 与 NP 特定 Ig 亲和力成熟度的变化关联。
无论是免疫动物还是未免疫动物,无论是用于分析 VH186.2 的 SHM 还是 JH4 intron,都必须准确识别 GCBC。我们提出了基于FACS的方法来隔离B220+PNAHI洲际弹道导弹。 或者,Fas 和非硫化 β2-6-锡利亚利-拉克纳克抗原,由 GL7 抗体 61、62、63、64 识别,也可用于隔离 GCBC,这些 PAC 被识别为 B220+Fas=GL7+65或 CD19+Fas=GL7+37。GL7表达紧密地反映了淋巴结64、65、66等活性GC中的PNA。除了使用特定于 GCBC 的抗体标记外,染色鸡尾酒还应最大限度地激发荧光和检测生物标志物,同时最大限度地减少荧光排放的光谱重叠。在低水平表达的抗原应检测与抗体,是结合到荧光与强大的发射荧光67。建议的染色方案进行了优化,用于对配备四个激光(405nm、488nm、561nm、633nm)和12个过滤器的细胞分拣机进行分析:但是,滤光片配置和激光可用性因细胞仪而异。为了根据试剂和设备的可用性修改协议,读者将参考额外的资源、在线频谱观看者以及出版的文献67、68、69、70、71、72、73。此处描述的多色染色协议要求对光谱重叠进行补偿,以确保分拣的细胞群是 GCBC,而不是对荧光发射的不准确检测。B220 是描述的 FACS (表 1B)的有用染色控制,因为 PP 将具有独特的 B220 负和正人群 (图 3C),从而允许对光谱重叠进行适当补偿。图 3C中提出的门控策略应用作准则。流细胞图可能因染色条件和细胞计设置而异。然而,4-10%的活细胞应该是B220+PNAHI 35,52。
必须验证 PP GCBC JH4 内的所有突变,以确保观察到的突变真正反映 SHM,而不是 PCR 或测序的人工制品。AID-/-B细胞可以作为一个有用的负控制,当检查SHM表型在其他突变小鼠模型,因为这些细胞不能完成SHM17,19。 AID-/-GCBCs中的JH4直流突变率(1.66×10-5突变/bp)20、21、36、37、38、50、74可与用于放大嵌套 PCR 中的 DNA 的高保真聚合酶 (5.3×10-7子/基/倍)51,52的错误率相媲美。如果没有AID-/-小鼠,将观察到的突变模式和频率与已发表的文献进行比较。Ig V区域每个碱基对分裂累积10-3-10-4个突变,比其他基因位点73,75的突变率高约106倍。结果可能因动物的年龄而异。或者,B220+PNALO细胞,标记为非 GCBC,在没有AID-/-小鼠52的情况下,可用作负控制。如果 WT GCBC 中的突变频率低于预期,则 WT 生殖系 JH4 内向序列可能不成比例地表示。在这种情况下,请确保 GCBC 得到适当的染色和分类,并且 PCR 不受 WT 细菌线 JH4 因特龙污染。此外,应彻底分析电图中的原始测序数据,以确保序列文本数据中的突变不会成为测序错误的人工制品。例如,桑格测序结果不佳可能会降低序列数据的可靠性(图 4)。这种对桑格序列数据的质量控制将提高 JH4 直子突变分析的准确性和可重复性。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢佐佐木的AID-/-老鼠。这项工作得到了国家少数民族健康与健康差异研究所(5G12MD007603)、国家癌症研究所(2U54CA132378)和国家普通医学科学研究所(1SC1GM132035-01)的支持。
0.2 ml PCR 8-tube FLEX-FREE strip, attached clear flat caps, mixed | USA Scientific | 1402-4708 | |
Ampicillin sodium salt | Fisher | BP1760-5 | |
APC-eFluor780 anti-CD45R/B220 | eBioscience | 47-0452-80 | clone RA3-6B2 |
BD FACSAria II | BD | 643186 | four lasers (405nm, 488nm, 561nm, 633nm) and 12 filters (PacBlue (450/50), AmCyan (502LP; 530/30), SSC (488/10), FITC (502LP; 530/30), PerCP-Cy5.5 (655LP; 695/40), PE (585/15), PE-Texas Red (600LP; 610/20), PE-Cy5 (630LP; 670/14), PE-Cy7 (735LP; 780/60), APC (660/20), Alexa700 (710LP; 730/45), APC-Cy7 (755LP; 780/60)) |
BD slip tip 1mL syringe | Fisher | 14-823-434 | sterile |
Biotinylated peanut agglutinin (PNA) | Vector Labs | B-1075-5 | |
C57BL/6J mice | Jackson Laboratories | 664 | |
Corning Falcon test tube with cell strainer snap cap | Fisher | 08-771-23 | |
DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, dihydrochloride) | Fisher | D1306 | 0.5 mg/ml |
dNTP | NEB | N0447L | 10 mM |
ElectroMAX DH10B competent cells | Fisher | 18-290-015 | |
Falcon cell strainer 40mm | Fisher | 08-771-1 | |
Falcon round-bottom polystyrene tubes (FACS tubes) | Fisher | 14-959-5 | |
Falcon round-bottom polystyrene tubes (capped) | Fisher | 149591A | |
Fetal bovine serum | R&D Systems (Atlanta Biologicals) | S11150 | |
Gibco phosphate buffered saline PBS pH 7.4 | Fisher | 10-010-049 | |
Glycogen | Sigma | 10901393001 | |
Lasergene Molecular Biology (MegAlign Pro) | DNA Star | version 15 | |
PE anti-CD45R/B220 | BD | 553090 | clone RA3-6B2 |
Proteinase K | Fisher | BP1700-100 | |
Q5 High-Fidelity DNA Polymerase | NEB | M0491L | |
QIAquick Gel Extraction Kit | Qiagen | 28706 | |
Seal-Rite 1.5mL microcentrifuge tubes | USA Scientific | 1615-5500 | |
Streptavidin APC-eFluor 780 Conjugate | eBioscience | 47-4317-82 | |
T4 DNA ligase | NEB | M020L | |
Thermo Scientific CloneJET PCR Cloning Kit | ThermoFisher | FERK1231 | |
Tissue culture plate 6 well | Fisher | 08-772-1B | sterile |
Unlabeled anti-mouse CD16/CD32 (Fc block), BD | Fisher | BDB553142 | Clone 2.4G2 |