一项追踪小鼠100余个生发中心（germinal center, GC）内数千个B细胞的研究，揭示了免疫系统持续产生高效抗体的机制。该研究结果推翻了关于生发中心功能的长期认知，表明其筛选严谨性远高于以往推测，同时对“抗体亲和力成熟主要由优势B细胞的罕见扩增‘爆发’驱动”这一观点提出了挑战。该发现可为免疫细胞演化研究提供参考，最终可为针对流感等快速突变病原体的疫苗设计提供指导，还可为演化研究本身提供新方法。
“传统机制观点将生发中心视为筛选最优抗体的选择机器，”研究负责人、洛克菲勒大学淋巴细胞动力学实验室主任加布里埃尔·D·维克托拉（Gabriel D. Victora）博士表示，“但当你进行极精细的观察时会发现，这一过程本质上近乎随机——仅比抛硬币的确定性略高——经过多次重复后，免疫系统才能稳定得到正确结果。这种运行模式与机器运作相比，更接近演化的规律。”
维克托拉团队的相关研究成果发表于《细胞》（Cell）期刊，论文题为《在定量亲和力景观上重现生发中心演化过程》。
生发中心内部的B细胞会发生快速突变，并通过竞争产生对病原体结合能力逐步提升的抗体。作者在文中指出：“生发中心内免疫球蛋白基因的达尔文演化过程，是抗原暴露后抗体亲和力逐步升高的核心基础。”这一过程使B细胞承受极强的选择压力，仅需优化单一性状：即结合亲和力，也就是抗体识别靶标的能力。
但研究团队指出，这一过程的实现机制目前仍未完全阐明：“尽管B细胞竞争提升抗体亲和力的细胞力学机制已得到充分验证，但该过程的演化动力学仍不清晰。”由于弱亲和力和强亲和力B细胞常共存于同一生发中心，科学界长期猜测免疫系统会暂时保留弱亲和力细胞，以备其后续获得有益突变。而克隆爆发（即单个B细胞的后代快速占据整个生发中心的现象）的机制也尚未得到充分解析。
作者解释称，生发中心B细胞仅通过快速突变2个免疫球蛋白基因完成演化，分别为重链基因（Igh）和轻链基因（κ链基因Igk或λ链基因Igl）。维克托拉团队构建了基因工程小鼠模型，所有参与竞争的B细胞的初始抗体序列完全一致，使得研究人员可同时在100余个生发中心中重现同一演化过程。他们解释道：“我们构建了一个生发中心完全由携带相同预重排Igh和Igk基因的B细胞组成的系统，确保所有B细胞的初始特异性和亲和力完全一致。”维克托拉补充道：“我们将系统简化到最基本的状态，探究产生高亲和力抗体的突变序列的可复现性。”
在所有B细胞都携带完全相同的未突变初始抗体序列后，研究团队通过免疫诱导生发中心形成。随后他们利用多光子显微镜和激光光激活技术追踪B细胞向高效免疫功能演化的过程，并对119个生发中心中的数千个单个B细胞进行测序。
基于上述数据，研究团队构建了详细的谱系发生树，绘制了不同B细胞谱系的发育轨迹。他们还利用深度突变扫描（deep mutational scanning, DMS）技术构建了突变词典，该技术可将几乎所有可能的氨基酸突变与抗体功能对应起来。这一技术突破使得研究团队仅通过读取细胞的DNA序列，即可确定突变对抗体结合强度和结构稳定性的影响。
“深度突变扫描是本研究的核心技术突破，”论文第一作者、实验室博士后研究员阿什尼·沃拉（Ashni Vora）博士表示，“借助该技术，我们仅通过序列分析即可确定数千个细胞的抗体亲和力，无需单独表达纯化抗体。”
研究人员将观察到的现象类比为赌场游戏：单个B细胞在生发中心内的演化过程近乎完全随机，部分细胞快速扩增，部分细胞消失，甚至携带潜在有益突变的细胞也可能被淘汰，仿佛完全由随机概率主导。部分生发中心会发生克隆爆发，而另一些生发中心则存在多个竞争谱系，无明显优势克隆。这些差异与抗体亲和力或细胞适应性几乎无关。研究人员指出：“我们发现，即便在这种简化的实验体系下，生发中心的选择过程也会产生差异极大的谱系拓扑结构，从克隆爆发型结构到多谱系平行演化的多分支生发中心结构均有存在。”
但研究团队发现生发中心的“游戏”存在固有偏向。在赌场中，庄家总能盈利，并非因为单局游戏的赔率优势，而是因为系统内置了微小的统计偏差，且该偏差经过数千次重复后会被放大。生发中心的运行模式与此类似：每一轮细胞竞争仅略微偏向携带有益突变的细胞，随机概率的存在使得亲和力与细胞存活成功率之间往往相关性很低。但通过在多个生发中心中反复重复这一充满随机性、近乎随机的过程，免疫系统最终可产生高亲和力抗体。
维克托拉表示：“如果你看到有人中了头奖，可能会好奇赌场怎么盈利。答案是赌场设置了微小的偏差，你有赢有输，但平均来看你输的概率更高。如果只有一两个玩家，赌场可能因为随机概率亏钱，但如果有上千个玩家，结果就会趋于平均，庄家最终盈利。这本质上就是生发中心的运行机制。”
研究人员还发现，免疫系统更倾向于选择细胞突变机制更容易产生的突变，而非能产生最高亲和力抗体的突变。通过长期追踪B细胞谱系，他们还发现生发中心的筛选严谨性远高于以往认知，会快速清除劣势B细胞。研究人员在总结中写道：“通过将系统发育重建与随时间采样的种群推断得到的适应度景观相结合，我们发现，生发中心对低亲和力谱系的明显包容性、以及亲和力成熟早期的平台期现象，都可以用存活偏差来解释，这种偏差会扭曲采样时存在的谱系的演化历史。”
综上，这些研究结果推翻了多个关于生发中心功能的长期认知，可为疫苗研发人员提供新工具，助力其调控抗体演化过程，研发针对流感和HIV的疫苗。维克托拉表示：“过去我们对生发中心内发生的过程仅停留在理论推测，现在我们展示了真实发生的动态过程。”
同时，该研究也表明生发中心可成为更广泛研究演化过程的强大模型。科学界长期依赖实验室多代培养的细菌来深入研究演化生物学，明确演化过程中随机概率的贡献程度。在明确生发中心的运行规则后，研究人员揭示了免疫系统为何可成为更易操控的实验途径：细菌演化需要适应多种可能的生存策略，而所有B细胞的演化目标完全一致。维克托拉补充道：“我认为这项研究是利用免疫系统作为模型研究演化的长期研究工作的开端。”
专业注释
- 生发中心：淋巴器官中B细胞增殖、亲和力成熟的特化结构
- 深度突变扫描：高通量检测所有单位点突变功能效应的技术
- 适应度景观：描述基因型与适应度对应关系的演化生物学模型
- 存活偏差：仅统计存活样本导致的演化历史分析偏差