北京大學(xué)肖俊宇等團(tuán)隊(duì)合作最新Science子刊

多聚免疫球蛋白是有頜類(lèi)脊椎動(dòng)物免疫系統(tǒng)的關(guān)鍵組分。哺乳動(dòng)物免疫球蛋白M（IgM）通常形成由連接鏈（J鏈）連接的五聚體，而非洲爪蟾（Xenopuslaevis）的IgX則可組裝為不依賴(lài)J鏈的多聚體。

近日，北京大學(xué)肖俊宇，高寧和Chenggong Ji共同通訊在Science Advances（IF=11.7）在線(xiàn)發(fā)表題為“XenopusIgXinforms engineering strategies of IgM and IgG hexamers”的研究論文。該研究通過(guò)冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）解析了IgX的結(jié)構(gòu)，揭示了其六聚體構(gòu)型。將IgX尾部片段引入人IgM后，作者成功實(shí)現(xiàn)了高效的IgM六聚體形成。將IgM天然尾部片段截短至11–16個(gè)殘基范圍，亦可顯著提升六聚化效率。

此外，將截短的IgM尾部片段引入IgG抗體后，同樣實(shí)現(xiàn)了有效的IgG六聚體組裝。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，靶向CD20的工程化IgM與IgG六聚體在多種B淋巴瘤細(xì)胞中均表現(xiàn)出強(qiáng)大的補(bǔ)體依賴(lài)性細(xì)胞毒性（CDC）。同時(shí)，IgG-Fc六聚體可作為誘餌分子，在細(xì)胞培養(yǎng)模型中有效抑制CDC活性。這些發(fā)現(xiàn)深化了作者對(duì)多聚免疫球蛋白演化機(jī)制的理解，并為開(kāi)發(fā)基于IgM與IgG的創(chuàng)新生物制劑提供了新策略。

聚合免疫球蛋白（pIgs）在所有有頜類(lèi)脊椎動(dòng)物的免疫系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。免疫球蛋白M（IgM）是最古老的抗體類(lèi)別之一，在進(jìn)化歷程中高度保守，并作為聚合免疫球蛋白的原型。哺乳動(dòng)物的IgM在與連接鏈（J鏈）結(jié)合后通常組裝為五聚體形式。J鏈賦予IgM五聚體獨(dú)特的特性，并增強(qiáng)其與多種受體及結(jié)合蛋白（例如pIgR、FcμR和CD5L）的交互作用。IgM重鏈C末端的18個(gè)殘基尾片段對(duì)于多聚化及與J鏈的結(jié)合至關(guān)重要。免疫球蛋白A（IgA抗體）中也存在類(lèi)似的尾片段，同樣促進(jìn)其多聚化及與J鏈的交互作用。在缺乏J鏈的情況下，哺乳動(dòng)物IgM可形成多種多聚結(jié)構(gòu)，包括六聚體、五聚體和四聚體。硬骨魚(yú)類(lèi)中不存在J鏈，其IgM呈現(xiàn)出獨(dú)特的四聚體構(gòu)型。

聚合免疫球蛋白的多價(jià)特性賦予其高親合力，這對(duì)于高親和力結(jié)合抗原及觸發(fā)特異性抗體效應(yīng)功能至關(guān)重要。例如，IgM是補(bǔ)體系統(tǒng)的有效激活劑，而補(bǔ)體系統(tǒng)作為先天免疫系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，能夠促進(jìn)微生物病原體和受損細(xì)胞的清除。經(jīng)典補(bǔ)體途徑由C1復(fù)合物的激活啟動(dòng)，其中C1q與結(jié)合抗原的IgM或IgG抗體發(fā)生結(jié)合。值得注意的是，IgM六聚體激活補(bǔ)體系統(tǒng)的效率顯著高于五聚體，這很可能源于C1q適配蛋白自身的六聚體結(jié)構(gòu)。IgG抗體同樣可激活經(jīng)典補(bǔ)體途徑；然而，由于IgG在溶液中以單體形式存在，需要多個(gè)（理想情況下為六個(gè)）IgG分子聚集才能有效招募C1q。

非洲爪蟾的Fcχ能夠形成穩(wěn)定的六聚體結(jié)構(gòu)（圖片源自Science Advances）

鑒于工程化改造后抗體所表現(xiàn)出的高效補(bǔ)體依賴(lài)性細(xì)胞毒性（CDC）活性，促進(jìn)IgG形成六聚體已成為抗體藥物開(kāi)發(fā)的重要方向。構(gòu)建類(lèi)IgM型IgG的策略包括：將18個(gè)氨基酸的IgM尾片段（UTP）或其C575S變體與IgG重鏈融合，以利用UTP的多聚化能力；此外，在IgG-Fc（Fcγ）中引入L309C突變以模擬IgM中的Cys414，從而促進(jìn)相鄰IgG分子間二硫鍵的形成。進(jìn)一步的修飾包括將FcγC末端的六個(gè)氨基酸（SLSPGK）替換為UTP前的IgM序列（DKSTGK），并在μtp中引入V567I和A572G兩個(gè)點(diǎn)突變以改善多聚化（以下稱(chēng)為FcγInnovent）。另外，在數(shù)種抗體（包括兩種抗HIV-1 gp120抗體b12和2G12）的晶體晶格中已觀察到IgG六聚體結(jié)構(gòu)。基于通過(guò)晶體對(duì)稱(chēng)性重建的b12六聚體結(jié)構(gòu)，研究人員策略性地設(shè)計(jì)了如E345R、E430G和S440Y等點(diǎn)突變，以增強(qiáng)Fcγ-Fcγ交互作用并促進(jìn)六聚體形成。這些創(chuàng)新構(gòu)成了HexaBody抗體技術(shù)平臺(tái)的基礎(chǔ)，標(biāo)志著抗體工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展。類(lèi)似地，H429Y或H429F突變（Stellabody）以及Q311R/M428E/N434W組合突變也能導(dǎo)致IgG寡聚化增強(qiáng)和/或補(bǔ)體激活水平升高。

非洲爪蟾（Xenopuslaevis）在進(jìn)化上連接了硬骨魚(yú)類(lèi)與更高等的脊椎動(dòng)物，是研究免疫球蛋白早期多樣化事件的理想模型。在爪蟾體內(nèi)存在兩種聚合免疫球蛋白：IgM和IgX。IgX主要存在于黏液分泌物中，被認(rèn)為在功能上類(lèi)似于IgA抗體，盡管其在結(jié)構(gòu)上與IgM更為相似，包含四個(gè)恒定區(qū)結(jié)構(gòu)域，而IgA抗體僅有三個(gè)。IgX可形成多聚體。但與IgM和IgA抗體不同，IgX似乎不與J鏈結(jié)合。這一發(fā)現(xiàn)促使作者對(duì)其組裝機(jī)制進(jìn)行更深入的研究。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea3737