破译浆细胞翻译密码：密码子偏好及tRNA修饰加速抗体合成

撰文 | Qi

浆细胞每秒可分泌数以万计的抗体分子，以提供针对病原体长期且高度特异的免疫，这一高速且持久运转的过程无疑给细胞带来巨大压力，然而，浆细胞内的翻译机器如何适应大批量抗体生产的机制尚未阐明。作为蛋白质翻译过程的解码器，tRNA负责将mRNA中的遗传信息精确地对应到蛋白质序列中，而密码子使用频率与相应tRNA丰度都会影响翻译效率和准确性。研究发现，tRNA的数量不仅因物种而异，甚至在多细胞生物的不同组织和发育阶段也会有所不同，其表达和翻译后修饰的变化还会影响细胞分化与增殖以及肿瘤转移【1-3】。基于这些发现，人们认为tRNA可能在抗体合成中表现出独特的适应性特征。

近日，来自美国麻省总医院、麻省理工学院和哈佛大学联合建立的拉贡研究所的Facundo D. Batista团队在Science杂志上发表了一篇题为Antibody production relies on the tRNA inosine wobble modification to meet biased codon demand的文章，他们确定了一种在人和小鼠中保守的免疫球蛋白翻译模式，即抗体基因密码子表现出偏好性，抗体合成依赖于肌苷（I34）摆动修饰（wobble modification）后的tRNA而非Watson-Crick碱基配对的tRNAs，以拓展tRNA的解码能力，揭示了tRNA重塑和密码子使用模式的协调是体液免疫的重要机制。

免疫球蛋白重链（IgH）恒定区构成了抗体的大部分，且在细胞和个体之间保持相对一致。该团队通过对IgH中密码子使用频率的分析发现其表现出不同于其他蛋白密码子的偏好性，简而言之，有12个高频密码子，尤其是ACC（Thr）在人和小鼠IgH中的频率几乎高于任何蛋白编码序列，检查IgH中高频使用的密码子与相对应的tRNA基因拷贝数发现，4个密码子缺乏满足Watson-Crick碱基配对原则的tRNA基因，分别是GTC(Val)、TCC(Ser)、CCC(Pro)和ACC(Thr)。tRNA的解码能力不仅由基因组编码的反密码子一级序列决定，还与“摆动修饰”有关【4, 5】，于是他们对抗体分泌细胞（PC）和不分泌抗体的幼稚B细胞（NBC）的tRNA修饰谱进行分析，发现在PC系中最一致上调的摆动修饰是34位点的肌苷（I34），腺苷脱氨基后（A-to-I）得到的肌苷能和A、U和C均发生互补配对，且已有研究表明I34对于大多数真核生物中部分C结尾密码子的解码而言是必需的【6】，因此，I34能够解决IgH中密码子需求和tRNA供应之间的问题。该团队发现人和小鼠IgH序列都高度富集I34依赖性密码子，由此可以推测I34修饰对于解码IgH至关重要。

为了进一步确认高频I34依赖性密码子在PC抗体产生中的重要性，该团队分别构建了两种表达绿色荧光蛋白的质粒，一种具有高频I34依赖性密码子，一种相反，将它们转染至PC和NBC中，后者在两种细胞中的产量均减少，但在PC中下降更为显著，强调了I34依赖性密码子对于PC中的蛋白合成的重要性。抗体可变区差异会影响免疫球蛋白结合靶标的亲和力、骨髓中B细胞的发育以及次级淋巴组织中抗原依赖性激活和分化，那么可变区的密码子偏好可能也会影响B细胞的上述进程。他们通过比对mRNA疫苗接种后人B细胞库的RNA-seq数据集，发现长寿的骨髓浆细胞（BMPC）或记忆B细胞（MBC）中编码可变区的mRNA内依赖I34的密码子频率相较于NBC而言有所增加【7】，提示免疫球蛋白密码子组成在B细胞分化和功能中起关键作用。

图1. 抗体分泌细胞中富集I34依赖性密码子和I34修饰tRNA以增强抗体分泌。

综上所述，这项工作表明编码抗体基因的mRNA富集可被I34修饰的tRNA识别的密码子，tRNA供应和密码子需求间的平衡有助于增强抗体分泌细胞的抗体合成。重要的是，这些发现有望优化用于制造重组蛋白（例如临床用单克隆抗体）的哺乳动物细胞系中的蛋白表达，如根据细胞特异性tRNA谱来定制密码子，也可以对细胞中的tRNA表达谱进行改造，从而增强治疗性蛋白质生产的功效和产量。

与此同时，来自美国西奈山伊坎医学院的Raymond A. Alvarez和英国伦敦玛丽女王大学的Louisa K. James针对此研究在同期杂志上发表了一篇观点文章，题目为Decoding the language of immunity——Optimized transfer RNA (tRNA) codon use can speed up antibody generation，他们提出以下观点：1）癌症的代谢需求与抗体分泌细胞相似，且已有报道指出腺苷脱氨酶ADAR1及A-I编辑活性增加与多种癌症的进展相关，这可能为药物开发提供相关靶点，2）干细胞快速合成高水平蛋白质以促进细胞分化和受损组织再生的过程与抗体分泌细胞的工作类似，且已知RNA编辑对于调节干细胞命运和功能而言有重要作用，这一发现可能有助于理解tRNA修饰如何协调细胞分化和多能性维持之间的平衡，3）根据tRNA的可用性定制mRNA序列可能会实现最佳的疫苗设计和蛋白质表达系统。总之，基于这些发现，在未来的工作中需要进一步了解抗体分泌细胞中驱动tRNA重塑的信号通路，以及tRNA修饰如何影响抗体合成过程中的翻译保真度。

http://doi.org/10.1126/science.adi1763

制版人：十一

参考文献

1. S. Kanaya, Y. Yamada, M. Kinouchi, Y. Kudo, T. Ikemura,J. Mol. Evol.53, 290–298 (2001).

2. H. Gingold et al.,Cell158, 1281–1292 (2014).

3. H. Goodarzi et al.,Cell165, 1416–1427 (2016).

4. F. H. C. Crick,J. Mol. Biol.19, 548–555 (1966).

5. T. Pan,Cell Res.28, 395–404 (2018).

6. E. M. Novoa, M. Pavon-Eternod, T. Pan, L. Ribas de Pouplana,Cell149, 202–213 (2012).

7. W. Kim et al.,Nature604, 141–145 (2022).