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研究人员人体免疫系统的解码

有史以来第一次,研究人员对人体免疫系统进行全面测序,人体免疫系统比人类基因组大数十亿倍。在人类疫苗项目“自然”杂志上发表的一项新研究中,科学家们对这个庞大而神秘的系统 - 编码循环B细胞受体库的基因 - 的关键部分进行了测序。

在成人和婴儿中对这些受体进行测序,科学家们发现了令人惊讶的重叠,这些重叠可以为跨人群的疫苗和治疗提供潜在的新抗体靶标。作为一项大型多年计划的一部分,这项工作旨在确定人们应对和适应巨大疾病的能力的基因基础。

由范德比尔特大学医学中心和圣地亚哥超级计算机中心的科学家领导,由于生物研究与高功率前沿超级计算的融合,这一进步是可能的。虽然人类基因组计划对人类基因组进行了测序并导致了新型基因组学工具的开发,但它没有解决人类免疫系统的规模和复杂性。

“人类免疫学和疫苗开发领域的一个持续挑战是我们没有关于正常健康人体免疫系统看起来像什么的全面参考数据,”范德比尔特疫苗主任James E. Crowe,Jr。博士说。范德比尔特大学医学中心是新论文的高级作者,该论文于2月13日在Nature上发表。“在当前时代之前,人们认为不可能做这样的项目,因为免疫系统理论上是这样的虽然很大,但这篇新论文显示可以定义很大一部分,因为每个人的B细胞受体库的大小出乎意料地小。“

这项新研究专门研究了适应性免疫系统的一部分,即循环B细胞受体,它们负责产生抗体,这些抗体被认为是人体免疫力的主要决定因素。受体随机选择并连接基因片段,形成称为受体“克隆型”的独特核苷酸序列。通过这种方式,少数基因可以导致令人难以置信的受体多样性,使免疫系统几乎可以识别任何新的病原体。

对三个成年人进行白细胞分离,研究人员克隆并测序了多达400亿个细胞,对包含循环B细胞受体的基因片段组合进行测序 - 实现前所未有的测序深度。他们还对来自三个婴儿的脐带血进行了测序。这个想法是为少数人收集大量数据,而不是仅收集许多数据的传统模型。

“人体之间抗体序列的重叠出乎意料地高,”克劳解释说,“甚至在出生时显示成人和婴儿之间的一些相同的抗体序列。”了解这种共性是确定可作为疫苗和治疗靶点的抗体的关键。这种做法在人群中更为普遍。

一个核心问题是,个体之间的共享序列是否是偶然的结果,而不是某些共同的生物或环境因素的结果。为了解决这个问题,研究人员开发了一种合成的B细胞受体库,发现“实验观察到的重叠显着大于偶然发生的重叠”,圣地亚哥超级计算机中心的Robert Sinkovits博士说。加州大学圣地亚哥分校。

作为由人类疫苗项目创建的独特联盟的一部分,圣地亚哥超级计算机中心利用其相当大的计算能力来处理数TB的数据。该项目的核心原则是生物医学和高级计算的合并。“人类疫苗项目使我们能够以比单个实验室通常可能的更大规模研究问题,并且还将可能通常不合作的团体聚集在一起,”Sinkovits说。

目前正在继续开展协作工作以扩展这项研究,包括:测序适应性免疫系统的其他领域,T细胞库;增加其他人口统计数据,如超级老年人和国际人口;并应用AI驱动的算法来进一步挖掘数据集以获得洞察力。目标是继续询问免疫系统的共有组成部分,以开发更安全,高度针对性的疫苗和免疫疗法,这些疫苗和免疫疗法可以在人群中发挥作用。

“由于最近的技术进步,我们现在有一个前所未有的机会利用人体免疫系统的力量从根本上改变人类健康,”人类疫苗项目首席执行官Wayne Koff博士说。“解决人体免疫系统是应对传染病和非传染性疾病的全球挑战的核心,从癌症到阿尔茨海默病到大流行性流感。这项研究标志着了解人体免疫系统如何运作的关键一步,通过基因组学和免疫监测技术与机器学习和人工智能的融合,为开发下一代健康产品奠定了基础。“

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