《Nature》免疫系统速度和精度的悖论

生发中心是高速进化的机器。在淋巴结，生发中心的微小集群通过突变和扩增来改进抗体，直到它们产生高亲和力的B细胞，适应于控制不同的病原体。

　　

生发中心是高速进化的机器。在淋巴结中，生发中心通过突变和扩增来完善抗体，直到产生高亲和力的B细胞，以适应不同病原体的控制。然而，快速进化应该会付出代价。大多数突变是有害的，因此在每次细胞分裂中不断发生突变，加上不受控制的增殖，似乎是一场灾难的配方。B细胞如何在短时间内同时发生突变和改进，这一直是长期的谜团。

现在，先进的成像技术揭示了生发中心的秘密武器：在快速增殖期间抑制突变的能力。这种内置的安全机制使得生发中心能够在不降低抗体质量的情况下大规模生产成功的克隆。这项发表在《Nature》上的研究结果，解决了免疫系统如何平衡速度和精确度的悖论。

“生发中心采用了一种非常聪明的策略，同时做两件事——这两件事在表面上看起来是不兼容的。”——Gabriel D. Victora，淋巴细胞动力学实验室主任。

自20世纪90年代初以来，科学家们已经知道B细胞的进化是不寻常的。那个时代的数学模型表明，生发中心通过突变和选择之间的交替来改善抗体——每个分裂周期都会发生一次突变，随后是一个测试阶段，在这个阶段，具有有害突变的B细胞会死亡，而具有最强抗体的B细胞会继续繁殖。几十年来，这种突变-检查方案塑造了我们对B细胞进化的理解。

“这个特殊的模型是数学建模对免疫学最重要的贡献之一，”Victora说。

但在2016年，Victora实验室发现了克隆爆发，这是一种单个B细胞繁殖速度如此之快，以至于占据了整个生发中心的现象。这种不受控制的扩散不符合20世纪90年代提出的谨慎的循序渐进的进程。然后，在2021年，该实验室表明，克隆爆发是通过他们所谓的“惯性”细胞循环发生的，在这种循环中，B细胞连续繁殖，每轮之间没有选择。这两个结果都不符合突变检查模型。“在某种程度上，我们意识到一定有一条规则可以防止惯性循环中的突变，”Victora说。

为了找到这个难以捉摸的规律，研究小组使用了许多先进的成像技术。利用脑虹成像技术——一种基因细胞标记技术——他们能够发现克隆爆发：单个B细胞分裂得如此之快，以至于它们占据了整个生发中心。令人惊讶的是，由这些爆发产生的细胞群的突变比预期的要少，这表明B细胞在进行惯性增殖时“暂停”了突变。

然后，在用荧光报告蛋白改造过的老鼠身上，他们确定了B细胞在细胞周期中发生突变的精确时刻。他们的发现是惊人的——在惯性循环中，破裂的B细胞精确地跳过了发生突变的细胞周期阶段。为了证实这一发现，他们使用基于图像的细胞分选，分离B细胞并对它们进行测序，以证明只有处于暂停状态的B细胞在积累突变，证明突变仅限于这一阶段，而跳过这一阶段是一些B细胞在惯性循环中避免突变的原因。将这些发现与数学模型相结合，证实生发中心动态调节突变，在不牺牲速度的情况下打开和关闭突变以产生最高亲和力的B细胞。

“成像是使这个项目成功的关键，”Victora实验室的研究助理Juhee Pae说，他也是2021年论文的第一作者。“总之，这些技术为我们指出了问题所在，使我们能够弄清楚细胞周期被跳过的特定阶段，然后帮助我们分离细胞，看看是哪些细胞产生了突变。”

结果揭示了生发中心如何以最大的效率改进抗体反应。通过证明B细胞在快速增殖过程中抑制突变，并在扩增后恢复突变，研究结果解释了免疫系统如何快速复制许多最好的B细胞，同时仍提高其抗感染能力。这些原则揭示了形成适应性免疫的精确机制，可能对疫苗设计和免疫疗法有更广泛的影响。

“在我们的淋巴结里有一个小型的进化机器——我喜欢把对生发中心的研究看作是试图弄清楚一团细胞是如何形成这样一个高效的机器的，”Victora说。

“这是非常基础的知识，”Pae补充道。“我们正在了解免疫系统是如何工作的。”