Human antibodies variety is crucial for normal immune system performance. Antibodies are synthesized by the B cells and diversified by genomic rearrangement of V(D)J segments, somatic hypermutation and isotype switching. Recently, fragments of LAIR1 and LILRB1 genes were found to be inserted in the immunoglobulin heavy chain locus of B cells extracted from malaria-exposed individuals. These insertions encoded an additional domain binding a broad spectrum of repetitive interspersed family (RIFIN) proteins of malaria-causing Plasmodium falciparum. This doctoral study aims to address the following questions: what is the frequency of such events, how malaria exposure contributes to it, and what can be a mechanism of these phenomena. To profile the insertions incorporated in the antibody genes, a technique called suppression PCR was developed. It predominantly amplifies the products of a certain length, allowing to selectively enrich the insertion-containing immunoglobulin transcripts. Applying this method to 56 donors from Africa and Europe, we detected 1822 chimeric heavy chain immunoglobulin transcripts in 89.3% of the donors. The frequency of the insertions varied between 1.67·10-6 and 1.74·10-4 per B cell and did not differ significantly between donors of African and European origin. The insertions were incorporated either in between the VDJ segments of the variable domain (VDJ inserts) or in between the variable and constant domains (J-CH1 inserts). We characterized the insertions based on their genomic origin, developmental stage of B cells in which they were detected, GC composition, expression level, proximity to telomeres, sources of DNA damage, and AID or RAG off-targets. These features allowed us to classify the insertion-containing transcripts into four classes: fragments of nuclear genome (nucVDJ) and mitochondrial DNA (mtVDJ) incorporated in the variable domain, nuclear DNA originating from telomere- and R-loop-proximal regions (telJC), and AID-mediated insertions originating from ERFS-proximal genomic regions (nucJC). 13.2% of the insertions did not interfere with normal heavy chain reading frame and a set of the insertions bears somatic hypermutations, pointing at the affinity maturation. A selection of chimeric antibodies were expressed in vitro as grafts on various antibody backbones. While most of the chimeric antibodies lost the original target binding activity, a subset of them acquired an unspecific binding, providing a putative explanation of chimeric antibody presence in human repertoire. Collectively, this dissertation sheds light on a new layer of antibody diversification.
Die Vielfalt der menschlichen Antikörper ist entscheidend für die normale Leistung des Immunsystems. Antikörper werden von den B-Zellen synthetisiert und durch genomische Umlagerung von V(D)J-Segmenten, somatische Hypermutation und Isotypwechsel diversifiziert. Kürzlich wurde festgestellt, dass Fragmente der LAIR1- und LILRB1-Gene in den Immunglobulin-Schwerketten-Locus von B-Zellen eingefügt sind, die aus Malaria-exponierten Personen extrahiert wurden. Diese Insertionen kodierten für eine zusätzliche Domäne, die ein breites Spektrum von Proteinen der repetitiven interspersierten Familie (RIFIN) des Malaria-verursachenden Plasmodium falciparum bindet. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, die folgenden Fragen zu beantworten: Wie häufig treten solche Ereignisse auf, wie trägt die Malaria-Exposition dazu bei und was kann ein Mechanismus für diese Phänomene sein? Um die in die Antikörpergene eingebauten Insertionen zu profilieren, wurde eine Technik namens Suppressions-PCR entwickelt. Es verstärkt vor allem die Produkte einer bestimmten Länge und ermöglicht so eine selektive Anreicherung der insertierten Immunglobulin-Transkripte. Bei der Anwendung dieser Methode auf 56 Spender aus Afrika und Europa konnten wir bei 89,3% der Spender 1822 chimäre Immunglobulin-Transkripte der schweren Kette nachweisen. Die Häufigkeit der Insertionen variierte zwischen 1,67·10-6 und 1,74·10-4 pro B-Zelle und unterschied sich nicht signifikant zwischen Spendern afrikanischer und europäischer Herkunft. Die Insertionen wurden entweder zwischen den VDJ-Segmenten der variablen Domäne (VDJ-Inserts) oder zwischen der variablen und der konstanten Domäne (J-CH1-Inserts) eingebaut. Wir charakterisierten die Insertionen anhand ihres genomischen Ursprungs, des Entwicklungsstadiums der B-Zellen, in denen sie nachgewiesen wurden, der GC-Zusammensetzung, des Expressionsniveaus, der Nähe zu Telomeren, den Quellen von DNA-Schäden und AID- oder RAG-Off-Targets. Diese Merkmale ermöglichten es uns, die insertierungshaltigen Transkripte in vier Klassen zu klassifizieren: Fragmente des Kerngenoms (nucVDJ) und der mitochondrialen DNA (mtVDJ), die in die variable Domäne eingebaut sind, Kern-DNA, die aus Telomer- und R-Loop-proximalen Regionen stammt (telJC) und AID-vermittelte Insertionen, die aus ERFS-proximalen Genomregionen (nucJC) stammen. 13,2% der Insertionen störten den normalen Leserahmen der schweren Kette nicht und ein Satz der Insertionen weist somatische Hypermutationen auf, die auf die Affinitätsreifung hinweisen. Eine Auswahl chimärer Antikörper wurde in vitro als Transplantate auf verschiedenen Antikörpergrundgerüsten exprimiert. Während die meisten chimären Antikörper ihre ursprüngliche Zielbindungsaktivität verloren, erlangte eine Untergruppe von ihnen eine unspezifische Bindung, was eine mögliche Erklärung für das Vorhandensein chimärer Antikörper im menschlichen Repertoire darstellt. Insgesamt wirft diese Dissertation Licht auf eine neue Ebene der Antikörperdiversifizierung.
