Sci Adv?| 肖俊宇團隊與趙明輝、譚穎團隊合作揭示補體系統C3轉化酶組裝及識別底物C3的分子機制

補體系統是天然免疫的重要組成部分，是人體免疫的第一道防線。補體系統由50多種可溶性蛋白和細胞表面受體組成，在清除病原體、調節免疫反應及維持體內穩態等過程中發揮關鍵作用。補體系統的功能紊亂與多種人類疾病有關，包括腎臟病、風濕性疾病、神經系統疾病和心血管疾病等。補體系統通過三條獨立但相互關聯的激活途徑發揮功能：經典途徑、凝集素途徑和旁路途徑。這三條途徑最終在核心成分C3處匯合，C3經由C3轉化酶裂解，生成C3a和C3b兩個片段。C3a作為一種過敏毒素，誘導炎癥反應；C3b則作為調理素結合在病原體表面，放大補體激活信號，增強被標記病原被吞噬細胞識別和清除的能力以及參與激活補體下游組分【1-4】。

C3轉化酶是補體系統中的關鍵酶復合物，在激活補體級聯反應中起核心作用。C3轉化酶主要有兩種形式：經典途徑和凝集素途徑中的C4b2a復合物，以及旁路途徑中的C3bBb復合物。C4b2a中C4b由經典途徑中的絲氨酸蛋白酶C1s或凝集素途徑中的MASP-2切割C4形成，隨后與C2結合形成酶原C4b2，C2再次被兩種酶切割形成具有活性的C4b2a復合物；C3bBb轉化酶則由C3b與因子B結合并在因子D作用下形成，形成的C3bBb復合物可被Properdin穩定。然而，C4b2a和C3bBb復合物高度不穩定，在形成后數分鐘內即完全解離，這給其研究帶來了很大挑戰。補體核心環節的C3bBb轉化酶識別C3的詳細機制仍未明確。以及，經典/凝集素途徑C4b2a轉化酶的組裝及其底物結合機制也尚不清楚，這在一定程度上限制了其作為治療靶點的開發【5-8】。

圖1. 補體級聯通路示意圖。紅色標記為本研究中解析完成的復合物。

2026年2月20日，北京大學肖俊宇課題組聯合北京大學第一醫院腎內科趙明輝、譚穎團隊在Science Advances期刊發表題為

Complement C3 recognition by C3 convertases

補體C3、C4等蛋白分子量大，結構復雜，重組表達困難，因此研究者首先從人血漿中純化得到補體C3、C4等蛋白以進行后續實驗。同時鑒于補體系統的兩種轉化酶高度不穩定的特性，研究者對轉化酶組裝條件進行優化，將生理條件下轉化酶組裝所需的鎂離子替換為鎳離子，從而顯著延長轉化酶的半衰期。C3轉化酶是由催化單元（C2，CFB）與支架蛋白（C4b，C3b）共同組成，只有催化單元時無法實現對底物特異性的識別和切割，但完整的轉化酶識別底物C3時具有高度特異性，研究者由此推測底物C3與轉化酶結合時存在與催化單元之外的結合表位，這種額外的結合表位保證了底物識別的特異性。因此，研究者在轉化酶復合物的催化單元C2和B因子中引入突變使其無法有效切割底物C3，從而保留了C3轉化酶與底物C3處于結合狀態下的復合物。

圖2. 補體經典途徑/凝集素途徑C3轉化酶與底物C3形成的復合物C4b2a-C3結構示意圖。

研究者根據以上思路制備樣品并首先利用冷凍電子顯微鏡解析了經典途徑和凝集素途徑共同的轉化酶C4b2a結合底物C3形成的“Michaelis”復合物C4b2a-C3的高分辨率結構（圖2），可以觀察到C3中的可剪切鍵位于ANA結構域的羧基端與α’-NT結構域的氨基端形成的loop狀結構上，該loop插入到C2a的絲氨酸蛋白酶結構域的催化口袋中。除此之外，C4b與C3，C2與C3形成的相互作用界面提供了轉化酶結合底物的親和力，保證底物識別的特異性。值得注意的是，冷凍電鏡樣品中還存在兩種經典途徑轉化酶的酶原形式C4b2（未展示），這在此前的研究中未被發現。C4b2復合物存在兩種明顯不同的構象，一種被命名為“loading”狀態，即C2剛結合至C4b還未完成SP結構域的固定；另一種則成為“activation”狀態，即活化狀態，此時C2的SP結構域與C4b形成相互作用并被固定，固定后暴露出可被C1s切割的剪切鍵，切割后vWF結構域離去，從而完成C4b2到C4b2a的過程，形成最終具有活性的轉化酶“C4b2a”，該過程的解析完整的闡明了C3轉化酶從組裝到成熟的分子過程，

圖3. 補體旁路途徑C3轉化酶與底物C3形成的復合物C3bBbP-C3結構示意圖。

研究者采用相似的思路解析了旁路途徑轉化酶C3bBb結合底物C3形成的“Michaelis”復合物C3bBbP-C3的高分辨結構（圖3）。與C4b2a-C3類似，C3的可剪切鍵所在的loop結構插入到B因子的催化口袋中，且C3b與C3相互作用。C3b展示出與C4b類似的C3結合界面，但B因子與C3的相互作用界面展示出明顯不同的特征，B因子與C3剪切鍵一側的α’-NT結構域形成β片狀結構，顯然這些特征性的相互作用保證了底物識別的特異性。Properdin是補體系統中已知的唯一正向調節因子，結合在C3bBb上起到延長其半衰期的作用。研究者分析了Properdin與C3bBb的相互作用界面，發現Properdin主要通過TSR5-stirrup和TSR6-stirrup兩個區域與C3b和Bb相互作用，起到加固C3bBb的功能。

最后，研究者利用獲得的高分辨結構對兩種代表性的靶向補體C3環節的藥物作用機制進行分析，闡明了兩種藥物作用的分子機制，為開發補體靶向藥物提供重要信息。

北京大學前沿交叉學科研究院2021級博士研究生賈長昊、北京大學生命科學學院博士后楊曉珂為論文的共同第一作者。肖俊宇教授與北京大學第一醫院腎內科譚穎副教授、趙明輝教授為本文的共同通訊作者。

10.1126/sciadv.adz5404

制版人： 十一

參考文獻

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