专家点评丨黄志伟施一公分别破解B细胞受

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点评丨刘万里（清华大学生命学院、免疫所、生命中心教授）责编丨酶美人类适应性免疫细胞（T细胞和B细胞）在病原感染、癌症发生以及自体免疫疾病中起着关键作用。T、B细胞分别通过T细胞受体（TCR）和B细胞受体（BCR）识别抗原信号，把信号跨膜传递至胞内，激活T、B细胞的免疫反应。T、B细胞受体属于一类由多个蛋白组成的最复杂的细胞受体，对T、B细胞的发育、分化、功能起着至关重要的作用。TCR和BCR复合物信号转导，免疫激活的结构基础与分子机制问题一直是免疫学领域的重要基础科学问题。B细胞是适应性免疫系统的重要组成部分。B细胞活化由抗原与B细胞受体（BCR）的结合来启动，并导致B细胞的增殖和分化，最终产生可以分泌抗体的浆细胞，或产生针对潜在病原体的记忆细胞。BCR由膜结合的免疫球蛋白（mIg）和Igα/Igβ异二聚体组成。mIg可以是五种不同的免疫球蛋白同种型之一，即IgM、IgD、IgG、IgA和IgE。mIg负责与抗原结合，但mIg本身不包含任何信号转导序列，因此需要Igα/Igβ参与信号传递。抗原结合以后，BCR在细胞膜表面聚集，Igα和Igβ的胞内域的免疫受体酪氨酸的激活基序（ITAM）被Lyn激酶磷酸化，激活下游信号通路。除了参与B细胞增殖分化这一重要的免疫过程以外，BCR还是B细胞淋巴瘤的药物靶点。例如，Polatuzumabvedotin是一种抗体偶联药物(AntibodyDrugConjugate)，将单克隆抗体和抑制有丝分裂的细胞毒剂进行偶联，该抗体偶联药物可以结合BCR中的Igβ组分，对B细胞淋巴瘤细胞精准杀伤，已经被批准治疗弥漫大B细胞淋巴瘤。B细胞受体的组分由德国马普所的MichaelReth实验室于年鉴定发表（Nature，）。在之后的三十多年中，人们对BCR胞外区如何识别各种抗原并激活B细胞信号通路进行了深入的研究，但作为BCR复合物如何进行组装的分子机制仍然未知。除此之外，BCR的结构信息对于理解B细胞活化以及针对该复合物进行抗体药物的开发具有很高的潜在价值。年8月19日，Science在线发表了背靠背研究论文解析了B细胞受体复合体结构，分别是来自哈工大黄志伟教授团队：Cryo-EMstructuresoftwohumanBcellreceptorisotypes和西湖大学施一公/宿强团队：Cryo-EMstructureofthehumanIgMBcellreceptor。黄志伟团队解析了IgG和IgM-BCR复合物，揭示了BCR复合物亚基的组装、识别机制，以及发现不同亚型BCR在胞外具有不同组装模式。施一公团队报道了人源IgM同种型B细胞受体（IgM-BCR）3.3埃的高分辨率电镜结构，揭示了IgM-BCR的组装机制，探讨了抗体或微型蛋白质潜在的结合位点，为以IgM-BCR为靶点的药物设计提供了重要结构基础。同时，哈佛大学吴皓教授团队于日前在预印本上公布了IgM-BCR结构解析的论文。人类B细胞受体有五种同种型，黄志伟团队解析了人IgG和IgM两种同种型的BCR复合物结构，BCR复合物结构包含了一个膜结合形式的免疫球蛋白（mIg）同源二聚体，用于识别抗原，以及一个膜结合形式的Igα/β（CD79α/CD79β）异二聚体，用于信号传递（化学计量比为1:1）。其中，mIg二聚体包含了Fab和Fc结构域、连接肽（CPs）和跨膜（TM）螺旋，Igα/β结构由两个胞外Ig样结构域、CPs和TM螺旋组成。IgG和IgM-BCR复合物的组装分别由胞外的IgG-Cγ3和IgM-Cμ4与Igα/β的Ig样结构域，以及连接肽、跨膜螺旋承担。黄志伟团队通过两个亚型的结构比较发现，mIgG和mIgM的跨膜螺旋区通过保守的疏水和极性作用与Igα/β结合。相比之下，在胞外区域，IgG-Cγ3和IgM-Cμ4分别通过“首尾相连”（head-to-tail）以及“肩并肩”（side-by-side）的模式与Igα/β的Ig样结构域结合，其中，Igα的CDloop旋转了90度，分别与Cγ3和Cμ4结构域结合。结构上观察的不同亚型组装模式是否和活性有关值得进一步研究。IgG和IgM-BCR结构图sIgM通常形成五聚体，但在膜结合的静息态BCR上只观察到IgM的单体状态。结构分析显示Igα的Ig样结构域和膜结合的IgM-Cμ4完全重合，从而解释了膜结合的静息态IgM-BCR为什么处于单体状态。BCR的激活通常伴随着BCR多聚体的形成，静息状态下，由于Igα/β的Ig样结构域与Cμ4或Cγ3结合，在空间上阻断了mIg寡聚化，而当抗原结合后可能会对Fab结构域施加机械力，以触发mIg_Fc的结构变化，从而释放被Igα/β占据的Cγ3或Cμ4的寡聚体界面，导致BCR分子形成寡聚体启动下游信号转导，其潜在机制还有待进一步研究。电子密度分析分别在IgG和IgM-BCR上清晰地鉴定出6个和14个糖基化位点。施一公教授研究组报道了人源IgM同种型B细胞受体（IgM-BCR）的电镜结构，通过结构分析，揭示了膜结合的IgM（mIgM）与Igα和Igβ异源二聚体复合物组装的分子机制，从而回答了B细胞受体如何组装的科学问题，同时也为基于B细胞受体的免疫疗法提供了关键的结构基础。他们首先将IgM-BCR的四个组分的cDNA进行密码子优化并克隆到表达载体上，接着通过共表达内质网潴留蛋白pERp1促进IgM二硫键的形成，帮助IgM-BCR正确折叠。之后，在蛋白纯化时加入抗体偶联药物Polatuzumabvedotin的Fab片段，最后通过冷冻电镜解析了第一个人源IgM同种型B细胞受体复合物3.3埃的高分辨率结构（图）。该IgM-BCR复合物结构包含胞外结构域以及所有跨膜区域,包含一个mIgM和一个Igα/Igβ异源二聚体复合物。除此之外，在Igβ的上方，观察到了Fab片段的电子密度，证实了Polatuzumab结合在Igβ氨基末端的柔性区域。图IgM-BCR复合物的整体结构图IgM-BCR包含两条mIgM的重链、两条轻链和两条膜锚定信号转导亚基Igα和Igβ。重链的胞外域与Igα/Igβ异二聚体的胞外域紧密堆叠。在近膜区域，两条重链中的一条通过连接肽（linker）穿过由Igα/Igβ异二聚体包围的中空结构。mIgM和Igα/Igβ的跨膜螺旋（TM）形成一个四螺旋束，通过跨膜螺旋之间的氢键来稳定。这样的结构特征强烈暗示了mIgM和Igα/Igβ异源二聚体在细胞内通过共折叠的方式形成复合物。施一公团队通过体外pull-down和体内免疫共沉淀（co-IP）实验，验证了IgM-BCR的组分通过共折叠的方式在细胞内形成复合物的猜想，同时揭示了TM和linker在复合物组装中的重要作用。最后，施一公团队对五种mIg同种型的氨基酸序列进行分析，发现这些氨基酸在TM结构域非常保守，而胞外域差异较大，暗示了五种BCR同种型在TM结构域用相似的方式进行组装，而胞外域则用不同的方式组装。除此之外，施一公团队的IgM-BCR结构还揭示了胞外域上的14个糖基化位点，在胞外域的表面，发现了三个没有任何糖基化位点的表位。抗体一般特异性地结合在没有糖基化的区域，根据这三个区域的结构，可能有助于理性设计特异性结合在这三个表位的抗体或微型蛋白质（图）。和已经批准的抗体偶联药物Polatuzumabvedotin一样，这些特异性结合IgM-BCR的抗体或微型蛋白质，具有治疗B细胞淋巴瘤的潜力。图IgM-BCR糖基化位点分布图在同期Science发表评论文章：UnveilingtheBcellreceptorstructure-MolecularstructuresprovidearoadmapforunderstandingandcontrollingBcellreceptoractivation”，对两项研究成果进行介绍。来自相关同行的评价也认为：“结构分辨率都达到了可以做相互作用分析的水平，对理解B细胞识别抗原很有帮助。”年，黄志伟/高宁合作团队揭示了人T细胞受体-共受体复合物TCR-CD3组装的分子机制（BioArt：里程碑！专家点评Nature

黄志伟/高宁合作团队首次揭示人T细胞受体-共受体复合物组装的分子机制）；年，来自哈佛大学的科学家解析preTCR-pMHC复合物结构（BioArt报道：Science｜李小龙博士等解析preTCR-pΜΗC复合物结构——T细胞发育过程“TCR-β选择”研究新进展），破解了T细胞成熟过程中TCR-β选择的问题。年，黄志伟团队通过进一步解析高分辨率的TCR复合物结构，发现TCR跨膜区域存在“胆固醇结合通道”，胆固醇分子结合于该通道抑制TCR激活，去除胆固醇分子引起TCR组成型激活，揭示了TCR激活的结构基础，从而提出TCR的“胆固醇-门栓”控制理论，为理性设计靶向TCR调控T细胞活性的免疫疗法提供理论依据（BioArt：MolecularCell

黄志伟课题组揭示胆固醇抑制T细胞受体活性的分子机制）。哈尔滨工业大学生命学院/生命科学中心黄志伟教授为论文的通讯作者。生命学院级博士研究生马新宇、朱玉威副研究员、董德博士、陈彦博士为该论文的并列第一作者。生命学院级博士研究生王书博、张帆研究员、郭长友博士等参与该研究的部分工作。西湖大学生命科学学院施一公教授及其团队博士后宿强为本文的共同通讯作者。西湖大学生命科学学院博士后宿强、清华大学生命科学学院博士生陈梦莹以及西湖大学访问学生、郑州大学博士生史嫣为本文的共同第一作者。西湖大学生命科学学院助理研究员张晓峰、博士后黄高兴宇、博士生黄邦栋，郑州大学刘章锁教授、刘东伟教授，参与了本研究的部分工作。电镜数据采集于西湖大学冷冻电镜平台，计算工作得到西湖大学高性能计算平台的支持。原文链接：1.