清華大學(xué)生命學(xué)院劉萬(wàn)里課題組在《Science》發(fā)文報(bào)道自身免疫疾病相關(guān)的調(diào)控B淋巴細(xì)胞活化和分化的新機(jī)制
2018年10月4日，清華大學(xué)生命學(xué)院劉萬(wàn)里課題組在《科學(xué)》（Science）雜志發(fā)表題為《自身免疫病相關(guān)IgG1變異體調(diào)控B細(xì)胞活化及分化》（An autoimmune disease variant of IgG1 modulates B-cell activation and differentiation）的研究論文（First Release in an online article; the article will appear at a later date in print）。該論文首次報(bào)道人類膜聯(lián)免疫球蛋白IgG1重鏈胞內(nèi)區(qū)存在增加系統(tǒng)性紅斑狼瘡（SLE）易感性的單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)（SNP），并揭示該SNP參與調(diào)控B細(xì)胞命運(yùn)決定的新機(jī)制，為研究系統(tǒng)性紅斑狼瘡等自身免疫疾病的致病機(jī)制和精準(zhǔn)診療提供新的潛在靶點(diǎn)和理論支持。
SLE是最常見(jiàn)的自身免疫疾病之一，是一種由遺傳、環(huán)境、免疫等多種因素導(dǎo)致的復(fù)雜性疾病，以產(chǎn)生多種自身抗體、免疫復(fù)合物沉積并累及多器官（皮膚、腎臟、肺臟、心臟和腦）為臨床表現(xiàn)，造成一系列并發(fā)癥，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致死亡。其發(fā)病機(jī)制至今尚不清楚，導(dǎo)致治療手段有限且無(wú)法根治。因此探究SLE的發(fā)病機(jī)制一直是基礎(chǔ)免疫學(xué)和風(fēng)濕免疫病學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
B淋巴細(xì)胞是抗體免疫應(yīng)答的核心效應(yīng)細(xì)胞。在生理?xiàng)l件下，其通過(guò)分泌防護(hù)性抗體來(lái)清除入侵機(jī)體的病原體，從而保護(hù)人體的健康，并且留給人體記憶性免疫力，這也是B細(xì)胞通過(guò)疫苗免疫發(fā)揮防護(hù)效應(yīng)的重要基礎(chǔ)。然而，在病理?xiàng)l件下，具有自身反應(yīng)性的B細(xì)胞在被異常激活后能夠分泌識(shí)別自身抗原的抗體，這些自身抗體進(jìn)而對(duì)自身組織進(jìn)行攻擊并引起抗體介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，并累及多個(gè)器官，對(duì)機(jī)體造成損害。具有自身反應(yīng)性的IgG型記憶性B細(xì)胞在人體中廣泛存在，而且SLE等自身免疫疾病常伴隨大量自身抗體的產(chǎn)生。
基于上述兩點(diǎn)事實(shí)，劉萬(wàn)里課題組提出IgG型B細(xì)胞受體（IgG-BCR）的異常活化可能參與到SLE等自身免疫病的發(fā)病過(guò)程中這一猜想。通過(guò)與北京大學(xué)人民醫(yī)院牽頭、北京大學(xué)深圳醫(yī)院和北京大學(xué)第一醫(yī)院參與的北大醫(yī)學(xué)風(fēng)濕免疫病學(xué)專業(yè)的合作研究，劉萬(wàn)里團(tuán)隊(duì)和栗占國(guó)團(tuán)隊(duì)共同發(fā)現(xiàn)人類膜聯(lián)免疫球蛋白IgG1重鏈基因IGHG1上的SNP（rs117518546）在SLE患者中顯著增加，該SNP導(dǎo)致人類膜聯(lián)免疫球蛋白IgG1第396位甘氨酸突變?yōu)榫彼幔↖gG1-G396R）。進(jìn)一步的臨床指標(biāo)相關(guān)性分析表明，攜帶該SNP的SLE患者產(chǎn)生更多更廣泛的IgG1型的自身抗體，發(fā)生炎癥反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)增加，疾病活動(dòng)指數(shù)也更高，揭示該SNP為新的SLE易感基因位點(diǎn)。有趣的是，劉萬(wàn)里團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析千人基因組測(cè)序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該SNP主要在東亞人群中的攜帶頻率（minor allele frequency，MAF）較高，而在歐美人群中極少，這提示該SNP是以漢族為代表的東亞人群特有的SLE易感基因位點(diǎn)，可能是我國(guó)SLE患者與其他人群患者的臨床表現(xiàn)和治療反應(yīng)存在差異的因素之一。
劉萬(wàn)里團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用該SNP的基因敲入小鼠，發(fā)現(xiàn)在自身免疫誘導(dǎo)模型中，攜帶該SNP的小鼠產(chǎn)生更多、更廣泛的自身抗體，而這依賴于B細(xì)胞受抗原刺激后大量自身反應(yīng)性漿細(xì)胞的分化，從而驗(yàn)證了在SLE患者中的發(fā)現(xiàn)，并從B細(xì)胞命運(yùn)決定層面給出了初步解釋。與此同時(shí)，鑒于該SNP在東亞人種中的攜帶頻率較高，且IgG型記憶性B細(xì)胞的產(chǎn)生和功能在疫苗免疫中發(fā)揮著重要作用，劉萬(wàn)里團(tuán)隊(duì)探索了該SNP對(duì)正常疫苗接種激發(fā)的抗體應(yīng)答的影響。季節(jié)性流感疫苗免疫的健康志愿者隊(duì)列研究揭示，該SNP的純合型攜帶者的流感病毒特異性IgG1抗體應(yīng)答顯著高于未攜帶該SNP的健康志愿者。這一結(jié)果表明，該SNP對(duì)調(diào)控IgG型B細(xì)胞介導(dǎo)的抗體應(yīng)答的具有典型的“雙刃劍”效應(yīng)：一方面促進(jìn)機(jī)體中能識(shí)別非我抗原的防護(hù)性抗體的產(chǎn)生，幫助機(jī)體抵御病原體入侵；另一方面在免疫系統(tǒng)異常的情況下，促進(jìn)識(shí)別機(jī)體自我抗原的記憶性B細(xì)胞產(chǎn)生自身抗體，加劇SLE的發(fā)生和發(fā)展。
在分子機(jī)理層面的研究中，劉萬(wàn)里團(tuán)隊(duì)發(fā)揮其實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)的研究特色，整合基于全內(nèi)反射熒光顯微鏡的高速高分辨率活細(xì)胞單分子成像平臺(tái)和基于Matlab的單分子軌跡追蹤算法，揭示該SNP顯著延長(zhǎng)IgG-BCR活化后招募的下游信號(hào)分子Grb2在B細(xì)胞免疫突觸中的駐留時(shí)間。常規(guī)生化分析揭示這種增強(qiáng)的駐留特性，并非因?yàn)镚rb2與SNP突變位點(diǎn)所在的磷酸化IgG-BCR胞內(nèi)區(qū)免疫受體尾部酪氨酸基序（ITT-motif，以下簡(jiǎn)稱ITT基序）的結(jié)合力增強(qiáng)。更進(jìn)一步的基于激酶-底物互作的分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示該SNP突變通過(guò)形成新的激酶-底物間的氨基酸殘基相互作用（激酶290位天冬酰胺與底物390位精氨酸形成氫鍵），顯著增強(qiáng)了Lyn激酶結(jié)構(gòu)域與ITT基序的結(jié)合，進(jìn)而極大的促進(jìn)了Lyn對(duì)ITT基序的磷酸化效率，使得變異體的B細(xì)胞免疫突觸中的磷酸化ITT基序的密度顯著增加，從而改變Grb2在免疫突觸中的招募模式，從招募-逃逸（Recruit and Escape）,轉(zhuǎn)換為招募-限制（Recruit and Confine）, 這毫無(wú)疑問(wèn)延長(zhǎng)了Grb2在免疫突觸中的停留時(shí)間，更有效促進(jìn)Grb2-BTK-PLCγ2信號(hào)小體在免疫突觸中的形成，極大的增強(qiáng)了包括NF-κB、Erk等在內(nèi)的下游信號(hào)通路的免疫活化，上調(diào)Blimp1和Irf4等轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，促進(jìn)B細(xì)胞免疫活化后向分泌抗體的漿細(xì)胞分化的命運(yùn)決定。
本論文從疾病易感基因位點(diǎn)的臨床遺傳學(xué)研究出發(fā)，開(kāi)展大樣本多中心臨床相關(guān)性分析，再到基于基因修飾小鼠的動(dòng)物模型研究，和基于新型成像技術(shù)和常規(guī)生化分析的受體活化信號(hào)通路解析，最后到基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的蛋白互作面的三維結(jié)構(gòu)研究。這一系列的研究結(jié)果加深了人們對(duì)SLE易感基因位點(diǎn)功能及致病機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為SLE研究提供了全新的研究靶點(diǎn)，也為復(fù)雜疾病相關(guān)易感基因位點(diǎn)的研究提供了創(chuàng)新性的研究模式。值得一提的是，該研究發(fā)現(xiàn)了在以漢族人為代表的東亞人群中廣泛存在，但在歐美人種中極少存在的SLE易感SNP，為在中國(guó)罹患SLE的近百萬(wàn)患者，提供精準(zhǔn)醫(yī)療的潛在靶點(diǎn)和理論支持，具有重大的潛在的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是書寫在祖國(guó)大地上的研究成果。
清華大學(xué)生命學(xué)院2018年1月份已畢業(yè)的陳相軍博士為論文第一作者，清華大學(xué)生命學(xué)院和免疫學(xué)研究所劉萬(wàn)里研究員為論文通訊作者，北京大學(xué)人民醫(yī)院風(fēng)濕免疫科栗占國(guó)教授為論文的共同通訊作者。北京大學(xué)人民醫(yī)院風(fēng)濕免疫科孫曉麟副研究員，清華大學(xué)生命學(xué)院PTN項(xiàng)目博士生楊為和清華大學(xué)生命學(xué)院博士生楊冰等為本論文研究做出重要貢獻(xiàn)。本研究需要大力整合臨床免疫學(xué)、基礎(chǔ)免疫學(xué)、分子細(xì)胞生物學(xué)、生物物理學(xué)和計(jì)算生物學(xué)等不同學(xué)科的交叉優(yōu)勢(shì)，在研究過(guò)程中得到了北京大學(xué)定量生物學(xué)中心來(lái)魯華教授，北京大學(xué)第一醫(yī)院張宏教授，北京大學(xué)深圳醫(yī)院王慶文教授，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院和免疫所祁海教授，中科院上海生化細(xì)胞所許琛琦研究員，中科院生物物理所婁繼忠研究員，中科院微生物所張福萍研究員，北京協(xié)和醫(yī)院鄭文潔教授，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院鄭芳教授，南京醫(yī)科大學(xué)胡志斌教授等國(guó)內(nèi)外同行的大力支持。該研究得到了清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心、生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心的支持。該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、清華大學(xué)免疫學(xué)研究所、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京市科委和深圳市三名工程提供經(jīng)費(fèi)支持。
劉萬(wàn)里課題組一直致力于使用新型的高速高分辨率的活細(xì)胞單分子熒光成像技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)的分子免疫學(xué)、生物化學(xué)和生物物理學(xué)研究手段，對(duì)B淋巴細(xì)胞免疫識(shí)別、免疫活化及相關(guān)免疫疾病的致病機(jī)理進(jìn)行研究?；貒?guó)獨(dú)立工作以來(lái)，以通訊作者（含共同）發(fā)表多篇論文：Cell、Leukemia、Science Immunology、J Exp Med、PNAS、eLife（2015和2017）、J Cell Biol、Nature Communications（2015和2017）、Science Signaling、Cell Research（2014和2018）、Cell Reports、J Immunol（2013、2014和2017）、Eur J Immunol.、Frontiers in Immunology、Trends ln Immunology等。該論文的發(fā)表是劉萬(wàn)里課題組對(duì)該領(lǐng)域的新貢獻(xiàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該論文也是國(guó)內(nèi)科學(xué)家在B細(xì)胞免疫識(shí)別、免疫活化和免疫調(diào)控領(lǐng)域，在風(fēng)濕免疫病研究領(lǐng)域，首次在《科學(xué)》（Science）雜志發(fā)表研究論文。
論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/early/2018/10/03/science.aap9310
圖1. SLE易感基因突變IgG1-G396R改變Grb2在B細(xì)胞免疫突觸中的招募方式
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