“复合体”科学家发现FcuR识别不同形式免疫球蛋白M的分子机制,助力于理解生物学功能

2023-05-28 15:05:10来源:DeepTech深科技

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免疫球蛋白 M(IgM)是人体内五类免疫球蛋白的其中一个,是机体在受到病原体刺激之后产生的第一类抗体,因而被称为体液免疫的“先锋部队”。同时,IgM 在人体中会以多种形式存在。

2020 年,北京大学肖俊宇教授课题组在 Science 发文,报道了 IgM 五聚体与分泌组分形成复合体的结构,阐明了 IgM 五聚体组装和黏膜转运的分子机制。

每一类免疫球蛋白都有其相应的 Fc 受体,这些受体通过与相应免疫球蛋白的 Fc 区域进行特异性的相互作用,从而引发不同的信号通路和免疫反应,包括参与调节免疫应答、介导细胞毒性等。

相比其他免疫球蛋白的 Fc 受体,IgM 的 Fc 受体被发现得比较晚。直到 2009 年,科学家才发现之前被称为 Toso 或 Faim3 的蛋白,是哺乳动物中唯一的 IgM 特异性受体,并据此将其重新命名为 FcμR。

FcuR 主要存在于 B 细胞、T 细胞和自然杀伤细胞(NK,natural killer cell)表面,并在慢性淋巴细胞性白血病 CLL(chronic lymphocytic leukemia)病人的 B 细胞中有着高度表达。

除了识别血清中的 IgM 抗体,2015 年一支中国团队报道 FcμR 还可以结合 B 细胞受体 (BCR) 复合体中的膜型 IgM。后来,来自美国的课题组进一步证实了该发现。

2021 年,科学家还发现 FcμR 可以与包含分泌组分的黏膜上的 IgM 结合,并介导其反向胞移过程。

被敲除 FcμR 基因的小鼠,呈现边缘区 B 细胞减少、自身抗体增加等免疫表型。但是,对于 FcμR 发挥功能的分子机制学界至今没有弄清楚。

在近期一项工作里,针对 FcμR 如何在分子层面发挥功能、以及如何对不同形式的 IgM 进行识别,肖俊宇课题组开展了研究。

(来源:Nature)(来源:Nature)

总之,本次成果通过结构生物学、生物化学和细胞生物学等手段,揭示了 FcμR 可以特异性地感知不同形式的 IgM,为深入理解 IgM 的生物学功能奠定了基础。

近年来,在与 FcμR 相关的疾病研究中,慢性淋巴细胞性白血病(CLL, chronic lymphocytic leukemia)受到了不少关注。

CLL 是一种 B 淋巴细胞恶性肿瘤,和其他种类的 B 淋巴细胞癌相比,CLL 中 FcμR 表达量异常增高。但是,FcμR 在 CLL 发病过程中的作用机制尚不清楚。

之前有科学家基于 FcμR 与 IgM 的相互作用,设计了靶向 CLL 细胞中的 FcμR 的免疫疗法,实现了定向清除 FcμR 高表达的 CLL 细胞。

而 FcμR 与 IgM 复合体结构的解析,将有助于为相关免疫疗法的设计和优化提供新思路。

据了解,肖俊宇课题组长期专注于免疫球蛋白与受体的相互作用机制研究,曾于 2020 年首次报道了 IgM 与多聚免疫球蛋白受体 pIgR 的复合体结构。这一成果也促使他们对 IgM 与其他受体分子的相互作用开展研究。

本研究大概起始于 2019 年下半年,期间经历了分子相互作用的验证、复合体组装和结构的解析与分析、结构和功能之间的相关性验证、以及针对新发现开展延伸探索等。

2021 年 11 月,经过长达两年的探索,课题组获得了 FcμR-D1 与 IgM-Cμ4 的复合体晶体结构、以及 IgM 五聚体与 FcμR 的两种结合比例的冷冻电镜结构,并认为这已经是一个逻辑较为完整的故事。

2021 年 11 月的某一天,当他们像往常一样浏览与领域内的新进展时,看到了一篇发表在 Cell Reports 上的论文。

该论文报道了如下内容:FcμR 可以与包含分泌组分的黏膜上的 IgM 结合,并介导其反向胞移过程。

看到这一发现,肖俊宇团队展开了如下讨论:“我们的研究发现:FcμR 的高亲和力位点、与分泌型 IgM 中分泌成分的结合位点是基本重叠的。那么,FcμR 是如何结合分泌型 IgM 的?”

为了回答这一问题,他们首先在体外验证了二者之间的相互作用,并经过一系列摸索获得了该复合体的冷冻电镜结构,借此完成了 IgM 与 FcμR 相互作用机制研究的最后一块拼图。

“科学之间总是相互促进,业界同仁在 Cell Reports 报道的结果启迪了我们的研究,相信我们的论文也会在某一时刻为他人研究提供线索与帮助。”该团队表示。

而 IgM 五聚体与 FcμR 的 4:1 复合体结构被解析出来的那一刻,让课题组至今难忘。FcμR 的 D1 结构域与 pIgR 的 D1 结构域同源,均负责与 IgM 的相互作用。因而在课题开始之初,他们预测 FcμR 会以类似于 pIgR 的方式结合于 R1 位点。

然而,在冷冻电镜数据处理过程中,随着三维分类的逐渐深入,他们发现了 4:1 结合模式的复合体,这一发现令他们既意外又惊喜。

“我们停下手中的工作,不停地讨论着这一意外发现的意义:它到底说明了什么,我们能继续做些什么。”肖俊宇说。

后来,随着结构解析的深入,他们在 4:1 结合模式的 4 个复合体 FcμR 中间发现了一团额外的密度,这团密度可能属于 FcμR 的 stalk 区域。

尽管这团密度由于质量较差而无法 model,但是这种结合模式和这团密度的存在提示他们:IgM 五聚体可能通过诱导 FcμR 四聚体的形成起始下游信号,stalk 区可能进一步介导 4 个 FcμR 分子之间的相互作用,促进其结合于 IgM 五聚体的同一侧。

SIgM 与 FcμR 复合体结构解析出来的时候,同样令人难忘。在该结构被解析出来之前,他们预测在 SIgM 中由于 pIgR 占据了 R1 位点,所以 FcμR 将会结合于 R2-R4 位点。

然而,让该团队意想不到的是,在解析出来的 SIgM 与 FcμR 的复合体结构中,4 个 FcμR 整整齐齐地排列在 IgM 的另外一侧,并结合在镜像对称的 R1’-R4’位点。

仔细想来,这一结合模式虽在意料之外,却又在情理之中。pIgR 的“个头”较大,当它结合于 R1 位点时,在空间上对 R2 位点有一定的“遮挡”作用,这阻碍了该位点上 FcμR 的结合,从而促使 FcμR 结合于 IgM 的另外一侧。

而这一结果与他们在晶体结构中的发现一致:即 IgM 的两个 Cμ4 结构域对 FcμR 具有相同的结合能力。

肖俊宇说:“这两个难忘的时刻均缘于实验发现与我们的预期不相一致,但也许这正是科学研究的魅力所在。生命机器的设计复杂而精巧,科学研究就是用多样的技术手段,在不同尺度上探索生命的奥秘,理解生命活动的基础和原理。”

在投稿过程中,论文累计经过 3 次修改。其中,前 2 次均需要补充实验。每次时间都很紧张,由于新冠疫情的影响,工作开展更是异常艰难。

第一次补实验的时候,多数时间学校都处于封校状态,试剂订购、仪器平台使用等都受到很多限制。第二次补实验的时候,则正好处于北京疫情高峰期,团队成员一个接一个地“阳”,非常让人心塞。

“但是,大家齐心协力、密切配合,最终圆满回答了审稿人提出的问题。在此,也衷心感谢学校和学院其他老师在试剂盒仪器上给予的帮助。”肖俊宇说。

参考资料:

1.Li, Y., Shen, H., Zhang, R.et al. Immunoglobulin M perception by FcμR. Nature 615, 907–912 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05835-w

排版:罗以

好了,关于科学家发现FcuR识别不同形式免疫球蛋白M的分子机制,助力于理解生物学功能就讲到这。


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