随着国内外精准医疗的发展,免疫治疗已经在多种疾病包括癌症、感染性疾病和自身免疫疾病等取得了一定的成功,但也出现了耐药、超进展以及免疫相关严重不良反应等问题。了解免疫系统,准确筛选最有可能获益的患者人群,已成为当前疾病免疫治疗中的难题。具有抗原结合特异性得B细胞受体(BCR)由多条肽链组成,其互补决定区的氨基酸组成和排列顺序呈现高度多样性,构成容量巨大的BCR库即免疫组库并形成多种亚型,用以特异性识别肿瘤细胞、抵抗细菌、病毒等病原体侵袭等。基于此,小编精选7篇BCR不同应用领域的标志性文章,为您展示BCR的巨大应用潜力!
场景一丨癌症
文章题目:Landscape of B cell immunity and related immune evasion in human cancers
发表期刊:Nature genetics (IF = 27.603), 2019
内容简述:肿瘤浸润B细胞是肿瘤微环境中的重要组成部分,但其抗肿瘤作用尚不明确。哈佛大学刘小乐团队修改并升级了TRUST计算方法,利用公共数据库(TCGA)中大量肿瘤RNA测序数据可开发出BCR免疫组库计算方法, 利用de novo的方法组装了超过三千万个肿瘤浸润B细胞重链IgH CDR3区序列,进一步分析了抗体亚型、克隆扩张、体细胞超突变以及免疫逃逸等问题。结果发现,B细胞克隆扩张和抗体亚类转换事件广泛的存在于多种癌症中。在B细胞活性升高的肿瘤中,发现了与抗体依赖的细胞介导的细胞毒性相关的MICA和MICB基因普遍存在体细胞拷贝数变异。总之,该研究首次大规模基于TCGA数据库对泛癌种肿瘤浸润B细胞免疫组库进行了组装和分析,为未来发展癌症免疫疗法提供了潜在资源。
图1 不同癌症中B细胞IgA和IgG抗体亚型间的类别转换
场景二丨自身免疫疾病
文章题目:Analysis of the B cell receptor repertoire in six immune-mediated diseases
发表期刊:Nature (IF = 42.778), 2019
内容简述:本研究收集了6种自身免疫疾病患者包括系统性红斑狼疮、抗中性粒细胞细胞质抗体相关性血管炎、克罗恩病、贝歇氏症、嗜酸性肉芽肿性多血管炎及IgA血管炎总计209个人以及19个健康人的外周血PBMCs细胞样本。选用Illumina MiSeq平台对其BCR进行了PE 300paired-end测序,通过设计V(D)J区多重PCR引物及根据C区部分序列设计通用引物进行扩增的方法拿到的部分序列进行BCR建库测序。根据测序数据,分层次递进分析了不同疾病及健康人的年龄对BCR的影响、抗体亚型、IGHV基因的使用、IGHV基因CDR3长度、克隆型、类别转换以及个别用药患者在用药不同时期BCR差异。总之,对不同自身免疫疾病的BCR全面分析揭示了其复杂的结构,同时为更好的理解致病机制和设计更加合理的治疗方案奠定了基础。
图2 不同自身免疫疾病中IGHV基因的使用热图及聚类分析
场景三丨感染疾病
文章题目:Aberrant B cell repertoire selection associated with HIV neutralizing antibody breadth
发表期刊:Nature immunology (IF = 23.530), 2020
内容简述:该研究收集了96个慢性HIV感染患者(46有广泛中和抗体(bNAbs)和50没有广泛中和抗体(noNAbs))以及和来自同一区域的43个未感染HIV病毒的健康人(HIV一)的外周血PBMCs细胞为测序样本,来评估两个艾滋病毒感染组的系统性差异。构建BCR重链文库进行Illumina MiSeq平台测序。分析了不同免疫球蛋白的体细胞超突变、CDR3长度、Ig重链特征与T细胞亚群的相关性、克隆型以及克隆扩张分析等。结果表明,bNAbs组通常带有长重链互补决定区loop环、高体细胞突变率和多反应性,并确定了bNAbs组的一致特征,包括每个个体数千个B细胞克隆,以及相关的T细胞表型。该研究中大量B细胞谱系与抗体特征的发展与自身反应性相关,可能成为HIV中和抗体发展的关键因素。
图3 不同人群分组中的抗体间重链转录本SHM频率差异
场景四丨MRD微小残留病
文章题目:Eye on the B-ALL: B-cell receptor repertoires reveal persistence of numerous B-lymphoblastic leukemia subclones from diagnosis to relapse
发表期刊:Leukemia (IF = 8.665), 2016
内容简述:初始治疗后血液中的肿瘤细胞水平作为B-ALL复发的一个最强预测因子是需要被持续监测的。本研究收集15例从出诊到复发或者未复发的急性B淋巴细胞性白血病(B-ALL)患者不同时期的骨髓有核细胞和PBMCs以及18名健康人的PBMCs作为本次建库测序的样本。提取DNA或RNA构建Illumina MiSeq文库,进行BCR免疫组库测序。数据分析表明(1)BCR序列的高突变率可以高分辨率追踪B-ALL的结构、进化和克隆动力学;(2)对诊断-复发配对样本的BCR系统发育分析发现,诊断时出现的大量小白血病亚克隆在复发时与显性克隆一起再次出现;(3)在所有复发患者中,初始化疗后大量无性系克隆细胞的存活是部分化学耐药性或治疗不足的补充,为随后出现的完全耐药克隆提供了更多的机会。总之,本研究利用敏感的BCR测序和分析方法对B-ALL患者整个治疗阶段进行MRD监测,为在其他类型的血液肿瘤中进行MRD监测提供了新思路。
图4 其中三例患者间的IGHV基因重排及比对
场景五丨器官/干细胞移植
文章题目:Characterizing pre-transplant and post-transplant kidney rejection risk by B cell immune repertoire sequencing
发表期刊:Nature communications (IF = 12.121), 2019
内容简述:该研究收集了27例接受肾移植的儿童患者的移植前和移植后不同时期的83份外周血样本进行了BCR测序。分析了不同时期的B细胞多样性、克隆扩张、B细胞网络以及个别IGHV基因的使用等。结果发现,在移植后发生排斥的个体中,其移植前的免疫系统多样性更高。此外,经过2年的随访,出现排斥反应的患者在排斥反应后表现出一组特定的克隆扩张。同时发现B细胞多样性的减少,可能是由于该队列中普遍免疫抑制暴露增加;进一步对所有排斥患者特异性IGHV基因的使用进行分析,表明共同的免疫原性抗原可能导致移植后产生排斥反应。该研究结果可能对肾移植患者排斥反应的预测和临床管理有临床指导意义。总之,该研究在器官移植背景下研究免疫系统为适应性免疫如何促进和调节移植后排斥反应提供了重要信息。
图5 整体研究思路及分析流程
场景六丨抗体开发
文章题目:Integrating high-throughput screening and sequencing for monoclonal antibody discovery and engineering (Review)
发表期刊:Immunology (IF = 5.016), 2017
内容简述:近年来,随着高通量测序技术的出现使得获得大规模的抗体库多样性信息成为可能。此外,现在对抗体库进行高通量测序已经变得更加常规,也可以直接发现抗体。在这篇综述中,概述了这一领域迄今为止的进展,并展示了高通量筛选和测序是如何为单克隆抗体的发现和工程提供强大的新流程的。图6展示了单克隆抗体的开发常规流程:(1)首先,重组抗体库样本可以来源于动物、人或基因合成。(2)接着将其克隆、表达到带筛选平台如噬菌体。(3)最后进行高通量测序,产生的数据进行如CDR3长度分布、可变(V)基因分布、克隆频率及文库成员之间的亲缘关系分析等。
图6 基于高通量测序技术的重组抗体库的分析流程
场景七丨疫苗/药物评估
文章题目:Comparative Analysis of B-Cell Receptor Repertoires Induced by
Live Yellow Fever Vaccine in Young and Middle-Age Donors
发表期刊:Frontiers in immunology (IF = 5.085), 2018
内容简述:在本研究中,基于入选的5名年轻(19-26岁)和5名中年(45-58岁)接种黄热病活疫苗的个体的浆细胞样本进行抗体库测序。比较分析了不同年龄分组的抗体库差异、IGH CDR3特征以及体细胞超突变频率等。总之,该研究结果表明,与老年人相比年轻的个体对遇到新病原体的反应更加多样化,并利用更有效的体细胞高突变过程,揭示了体液适应性反应随年龄增长发生了显著性改变。
图7 青年和中年受试者接种黄热病疫苗后体细胞的超突变模式
总结
纵览BCR七大应用主场,不难发现由于BCR基因重排和超突变导致BCR基因序列多样性非常高,为了准确鉴定不同抗体类型、克隆型及抗体类别转换等,测序数据的准确性尤为重要。虽然部分研究人员对BCR进行PCR扩增时将扩增片段长度进行了实验方面的改善和升级,但基于传统二代技术的免疫组库测序受其读长短的限制,仍不能扩增出BCR的全长序列,导致抗体类型及克隆型等鉴定不够准确。菲沙三代全长BCR采用PacBio的HiFi测序模式,具有长读长和高准确度(准确率达99.9%)的优势,通过对整个BCR包括重、轻链转录本进行完整和高精度的测序,随后通过IMGT数据库比对,无需组装,可以基于整个V(D)J至 C区完整序列实现抗体类型和克隆型更精确的鉴定。随着菲沙PacBio三代BCR测序技术的问世,我们将利用更加完美的测序数据揭秘更多疑难的医学问题以及加速抗体的开发流程。菲沙期待与您的合作!
参考文献:
[1] Hu XH, Zhang J, Wang J et al. 2019. Landscape of B cell immunity and related immune evasion in human cancers. Nature genetics 51, 560–567. https://doi.org/10.1038/s41588-018-0339-x
[2] Bashford-Rogers RJM, Bergamaschi L, McKinney EF et al. 2019. Analysis of the B cell receptor repertoire in six immune-mediated diseases. Nature 574, 122–126. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1595-3
[3] Roskin KM, Jackson KJL, Lee YJ et al. 2020. Aberrant B cell repertoire selection associated with HIV neutralizing antibody breadth. Nature immunology 21, 199–209.
https://doi.org/10.1038/s41590-019-0581-0
[4] Bashford-Rogers RJM, Nicolaou KA, Bartram J et al. 2016. Eye on the B-ALL: B-cell receptor repertoires reveal persistence of numerous B-lymphoblastic leukemia subclones from diagnosis to relapse. Leukemia 30, 2312–2321. https://www.nature.com/articles/leu2016142
[5] Pineda S, Sigdel TK, Liberto JM et al. 2019. Characterizing pre-transplant and post-transplant kidney rejection risk by B cell immune repertoire sequencing. Nature communications 10, 1906. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09930-3
[6] Parola C, Neumeier D and Reddy ST. 2017. Integrating high-throughput screening and sequencing for monoclonal antibody discovery and engineering. Immunology 153, 31–41.
https://doi.org/10.1111/imm.12838
[7] Davydov AN, Obraztsova AS, Lebedin MY et al. 2018. Comparative Analysis of B-Cell Receptor Repertoires Induced by Live Yellow Fever Vaccine in Young and Middle-Age Donors. Frontiers in immunology 9, 2309. https://doi.org/10.3389/fimmu.2018.02309