《Nature》非洲锥虫抗原表达层级的基因组决定因素：揭秘免疫逃避的关键机制

为探究锥虫 VSG 选择机制，研究人员开发新技术，发现 DNA 同源区域影响修复方式及抗原激活层级。

　　

在神秘的微观世界里，病原体与宿主的 “战争” 时刻上演，其中抗原变异是病原体逃避宿主免疫反应的关键策略。非洲锥虫（Trypanosoma brucei）作为引发人类非洲锥虫病和动物纳加那病的 “罪魁祸首”，其通过不断改变表面的变异表面糖蛋白（VSG）来躲避宿主免疫系统的攻击。

非洲锥虫的基因组中含有约 2500 个不同的 VSG 基因，这些基因大多数位于染色体的沉默亚端粒区域或特殊的小染色体上。VSG 基因的表达依赖于其在端粒近端血流表达位点（BES）的定位，且 BES 的表达具有严格的相互排斥性，确保同一时间只有一个 VSG 基因表达。然而，VSG 表达遵循半可预测的层级模式，在感染的特定阶段，某些 VSG 基因会优先表达，这一现象背后的机制却一直是个谜。

为了解开这个谜团，来自德国路德维希 - 马克西米利安大学（Ludwig-Maximilians-Universit?t München）等机构的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Nature》上。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：

1. CRISPR-Cas9 技术：通过构建基于 Cas9 的系统，在活性 BES 的不同位点诱导双链断裂（DSB），以此来研究 VSG 的选择机制。

2. 单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）：开发了一种高度敏感的适配锥虫的 scRNA-seq 方法 ——SL-Smart-seq3xpress，能够在单细胞水平上检测转录组变化和潜在的基因组重排。

3. 其他技术：利用 Western blot、免疫荧光分析、BLESS 等技术来验证 DSB 的产生和修复情况；运用 ATAC-seq 技术研究染色质景观的变化。

下面来看具体的研究结果：

1. DSBs 诱导 VSG 切换：研究人员利用 CRISPR-Cas9 系统在活跃转录的 VSG-2 基因中诱导 DSB，发现这会导致 VSG-2 表达迅速下降，并且细胞会切换到表达其他 VSG 基因。这一结果证实了 CRISPR-Cas9 可有效诱导 DSB 并触发 VSG 表达切换。

2. SL-Smart-seq3xpress 的应用：该方法在检测单个寄生虫在 VSG 切换过程中的转录组方面表现出色，相比其他方法具有更高的灵敏度和特异性，能够清晰地区分不同细胞中表达的 VSG 转录本。

3. VSG-2 切割激活的基因：研究发现，在 VSG-2 基因中产生 DSB 后，激活的 VSG 基因均位于端粒附近。这表明在体外，生长动力学并非主要由 VSG 长度决定，而是与基因的位置有关。

4. BES1 激活的优势：通过研究发现，大多数重组事件发生在 70-bp 重复序列附近，且转录切换在早期时间点更为常见。这表明转录切换细胞可能因适应性劣势被淘汰，或者在 DSB 修复后重新转录 BES1，说明 BES1 转录具有明显的适应性优势。

5. 修复模板可用性的影响：当在与其他 VSG 基因具有高度序列相似性的 VSG-8 和 VSG-11 基因中诱导 DSB 时，发现 DSB 优先通过节段性基因转换进行修复，形成新的 “镶嵌” VSG 基因。这表明锥虫在修复 DSB 时，会优先寻找同源的 VSG 序列作为模板。

综合研究结果，研究人员提出了一个模型：当活跃的 VSG 基因发生 DSB 时，如果基因组中存在同源区域，DSB 将通过节段性基因转换进行修复，形成镶嵌 VSG 基因；若不存在同源区域，则通过断裂诱导复制（BIR）修复，导致端粒相邻的 VSG 基因被激活。

这项研究揭示了非洲锥虫抗原表达层级的基因组决定因素，为理解病原体的免疫逃避机制提供了重要依据。同时，研究表明定制的、高灵敏度的 scRNA-seq 方法不仅有助于研究转录组水平的细胞间异质性，还能发现潜在的基因组变化。这对于剖析病原体耐药性的演变、开发更有效的药物具有重要意义，有望为相关疾病的治疗开辟新的道路。