【国医·头条】徐安龙教授团队发现“分子活化石”，研究结果在《cell》发表

最近，在国家自然科学基金委和科技部高技术发展计划(863)和国家重大基础研究发展计划（973）的资助下，中大徐安龙教授领导的研究团队发现了六亿年前RAG转座子的“分子活化石”，为“人类抗体重排机制的转座子起源假说”提供了最有力的证据。该研究成果近日在国际生物类著名期刊《Cell》上发表。

1979年，美籍日裔科学家Susumu Tonegawa（利根川进）团队在发现了人类抗体V(D)J重排机制，并创造性地提出了重排机制的转座子起源假说，1987年他因“抗体重排机制”获得诺贝尔医学和生理奖。他提出的“人类抗体重排机制的转座子起源假说”，激励了一代又一代学者去探求重排机制及其起源。过去四十多年，尽管围绕重排机制，特别是核心酶--抗体重排激活酶（RAG1/RAG2）的功能与调控研究，取得了许多重大进展，但假说本身却从未得到证实，成为困扰免疫学界的一个经典谜题。
人体的免疫系统分为两部分：先天的固有免疫和后天可改变的适应性免疫，抗体重排机制就是适应性免疫中，后天能应对无数病源侵害的最关键机制（例如疫苗的作用 就是基于此机制），正是其如此的重要性，寻找抗体重排机制起源的研究一直是免疫学研究的热点，从而激励着一代代免疫学家为之努力。在1979年 Tonegawa发现了“抗体重排机制”之后，免疫学家们一系列的研究发现介导抗体重排机制的关键酶就是：重组激活基因RAG1和RAG2，但是RAG基因编码的是人体自身的蛋白，并非转座酶，因此，科学家自然要问：“RAG基因如何进入人和其他脊椎动物基因组并整合到适应性免疫系统介导V(D)J重排？” 该问题由此成为公认的适应性免疫起源的关键谜题之一。
为了破解为一迷题，徐安龙教授及其团队自从20年前从美国留学回国时，就将自己的研究由过去疾病相关的免疫研究转到人的免疫系统起源这一非常基础的科学问题上。他的团队首先选择了动物进化研究的活化石-文昌鱼作为核心研究对象，因为文昌鱼是揭开我们脊椎动物起源最关键的物种，并且在我国的青岛、厦门、湛江等沿海都有，为该研究提供了长期可依赖的资源优势。

 中国白氏文昌鱼（amphioxus）的进化地位。文昌鱼与尾索动物（urochordate）、脊椎动物（vertebrate）共同组成了脊索动物 门。一般认为，只有脊椎动物才演化出适应性免疫系统与抗体重排机制。文昌鱼作为现存最古老的脊索动物——被认为是可以代表脊椎动物祖先状态的“活化石”， 尚未进化出适应性免疫的相关机制。

经过十多年的研究，他的团队对多个高质量的文昌鱼基因组草图进行深度信息学分析，发现文昌鱼保留了大量古老的、在脊椎动物中早已灭绝的转座子超家族。其中一个DNA转座子家族正巧编码了RAG1/2的蛋白,并具有类似抗体基因重组信号序列RSS的末端反向重复序列TIR，他们将此基因命名为ProtoRAG，意为编码原型RAG的转座子。通过系统和深入的功能和机制研究，他们发现文昌鱼ProtoRAG就是人们长期搜寻的决定抗体重排机制的RAG转座子，也可以认为该转座子就是六亿年前RAG转座子遗留下来的“分子活化石”。

文昌鱼的原始RAG与脊椎动物RAG蛋白的功能对比。在脊椎动物中，RAG1/2蛋白复合体负责对抗体的V(D)J基因片段进行重排。但在文昌鱼中，原始的RAG蛋白作为ProtoRAG转座子的转座酶存在，只负责介导自身的在基因组中的转移与复制。

这一发现为人类抗体重排的转座子起源假说提供了最强有力和直接的证据，该转座子的发现还为未来利用重排机制设计新的免疫抗体和免疫基因提供了崭新的基因编辑思路和技术。从免疫学的大视野看,该发现将适应性免疫的起源由脊椎动物推前到无脊椎脊索动物文昌鱼，由此向前推进1亿年，将改写现行免疫学教科书关于适应性免疫起源的观点。

评论

Reviewer1评价：
Since 1979, it has been thought that the origins of VDJ recombination might lie in a transposable element. The discovery of RAG1/2 and their ability to mediate transposition led to the specific model that a RAG1/2 transposon was the element in question. However, the analysis of many genome sequences failed to turn up a RAG1/2 transposon, leading some in the field to doubt this model and to propose alternatives. Here, Huang et al. provide powerful evidence for the existence of a RAG transposon (ProtoRAG) with all of the key features predicted for such an element: convergently oriented RAG ORFs, flanking TIRs that resemble the heptamer of the RSS, and 5 bp target site duplications. Excitingly, the elements turn up in the genome of amphioxus, the best extant candidate as the last common chordate ancestor. Also exciting is evidence that these elements have fairly recently (last few million years) been active in the amphioxus genome, and that the bbRAG1L and bbRAG2L proteins encoded by one amphioxus transposon are active in DNA cutting (and perhaps transposition; see comment 1 below). This raises the possibility that these transposons are still active in amphioxus today, although as the authors note, it would appear that their activity is kept quite low. These findings are likely to have a major impact on the current model for RAG and VDJ evolution, and also provide important tools for studying the functional properties of RAG1 and RAG2 early in their evolution.
从1979开始，人们就相信VDJ重排可能源自一个转座元件。RAG1/2蛋白的发现及其介导转座的能力导致了这样一个假说，即“RAG转座子”人们所寻找那个转座元件。但是，对许多基因组序列的分析并没有找到所谓的RAG转座子，让人们开始怀疑这个RAG转座子模型是否真的成立，甚至有人开始考虑新的替代模型。在这个研究中，黄盛丰等人提出有力的证据表明ProtoRAG具有RAG转座子应当具备的所有的关键特征…（省略）。令人兴奋的是，他们发现的这个元件（ProtoRAG），是来自文昌鱼的基因组，文昌鱼是脊索动物祖先的现存最佳代表。同样让人兴奋的是，作者找到的这些元件，仍然保持着转座活性！（省略）…这些发现可能对现有的RAG/VDJ演化模型有重大影响，同时也为深入研究RAG早期演化提供的重要的工具。

Reviewer2评价：
The supporting data for the proposal that ProtoRAG represents a molecular "living fossil" of the RAG transposon are extensive and convincing.
该研究提出了ProtoRAG是RAG转座子的分子“活化石”这一论断，并给出了广泛的、令人信服的证据。

Reviewer3评价：
As such this paper is of substantial interest to the field and worthy of serious consideration. Because the work goes far beyond a simple sequence gazing exercise, and includes a variety of molecular analyses that come together to form a compelling story.
该论文对免疫学领域极具价值和值得认真审视。该工作并非一个简单的序列搜寻分析，它综合了多种分子功能研究并最终汇合形成一个极具说服力的故事。

Reviewer4评价：
Overall, this is one of the more substantial CELL manuscripts that I have reviewed in the last few years and I think the study will have a strong and sustained impact on the general scientific community due to the importance of V(D)J recombination as a milestone event in the evolution of adaptive immunity.
整体而言，这是我多年来评审过的最具实质意义的cell文章。由于VDJ重排是适应性免疫演化的里程碑，我认为这篇文章将会对整个学界产生重要影响。

媒体说

中国科学报 ——《科学家发现六亿年前“分子活化石”》：

今天，记者从中山大学获悉，该校教授徐安龙团队发现了六亿年前RAG转座子的“分子活化石”，为“人类抗体重排机制的转座子起源假说”提供了最有力的证据。相关研究近日在《细胞》上发表。......经过十多年的研究，该团队对多个高质量的文昌鱼基因组草图进行深度信息学分析，发现文昌鱼保留了大量古老的、在脊椎动物中早已灭绝的转座子超家族。其中一 个DNA转座子家族正巧编码了RAG1/2的蛋白，并具有类似抗体基因重组信号序列RSS的末端反向重复序列TIR，他们将此基因命名为 ProtoRAG，意为编码原型RAG转座子。通过系统的功能和机制研究，他们发现文昌鱼ProtoRAG就是人们长期搜寻的决定抗体重排机制的RAG转 座子，也可以认为该转座子是六亿年前RAG转座子遗留下来的“分子活化石”。

人民网 — 《我国免疫学家发现6亿年前免疫“分子活化石”》：

这一发现为“人类抗体重排的转座子起源假说”提供了最强有力和直接的证据， 为未来利用重排机制设计新的抗体或免疫分子提供了崭新的思路。从免疫学的大视野看，该发现将适应性免疫的起源由脊椎动物推前到无脊椎脊索动物文昌鱼，由此向前推进1亿年。
据悉，这一研究成果已发表在国际生物类顶尖期刊《Cell》，被国外专家称为“免疫学研究的里程碑成果”。

南方日报 — 《中大科学家解开世界免疫学谜题》：
这一发现为“人类抗体重排的转座子起源假说”提供了最强有力和直接的证据，具有多重科学意义：从免疫学研究来看，成果将适应性免疫的起源由脊椎动物推前到无脊椎脊索动物文昌鱼，把时间从5亿年推前到6亿年，改写教科书的观点。同时，为以后的DNA研究提供新思路，此次发现的ProtoRAG是一个古老的转座子，转座子以往被认为是“垃圾DNA”和“自私DNA”，但现在看来，事实上其发挥着重要的积极的作用；为未来重排机制设计新的免疫抗体和免疫基因提供了新思路。

羊城晚报 — 《把适应性免疫起源 向前推进1亿年》：

在国家自然科学基金委和科技部高技术发展计划(863)和国家重大基础研究发展计划（973）的资助下，徐安龙教授领导的研究团队经过十多年对动物进化研 究的活化石——文昌鱼的研究，发现了六亿年前RAG（重组激活酶）转座子的“分子活化石”，为“人类抗体重排机制的转座子起源假说”提供了最有力的证据。 该研究成果形成论文发表在国际生物类著名期刊《cell》上，引起学术界的广泛关注。

内容转自中山大学技术 | 郭奇