Science | 肖俊宇研究組解析人源免疫球蛋白M復(fù)合體的高分辨率電鏡結(jié)構(gòu)
免疫球蛋白M（IgM）是人體內(nèi)五類(lèi)免疫球蛋白之一，在免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要功能。IgM以多聚體的形式存在，而多聚體的形成對(duì)IgM黏附病原生物、激活補(bǔ)體系統(tǒng)等功能都具有重要意義。在J鏈（J-chain）存在的情況下，IgM形成穩(wěn)定五聚體。J鏈于1970年被發(fā)現(xiàn)，在脊椎動(dòng)物中高度保守，但與其他已知結(jié)構(gòu)蛋白相比沒(méi)有同源性。它也參與調(diào)控IgA二聚體的形成。更為重要的是，它還在IgA/IgM的黏膜轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中扮演重要角色。黏膜覆蓋人體的消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿生殖系統(tǒng)等，是人體免疫系統(tǒng)的第一道防線。成年人體內(nèi)的黏膜面積可達(dá)400平方米。分泌型IgA/IgM是黏膜防御系統(tǒng)中的主要抗體分子。由漿細(xì)胞分泌的IgA和IgM經(jīng)由胞移作用（Transcytosis）穿越黏膜上皮細(xì)胞到達(dá)黏膜表面。這一過(guò)程需要J鏈的存在，還依賴(lài)于一個(gè)關(guān)鍵的受體蛋白：多聚免疫球蛋白受體（polymeric immunoglobulin receptor, pIgR）。pIgR在上皮細(xì)胞的基側(cè)膜一側(cè)特異結(jié)合含有J鏈的分泌型IgA和IgM分子，然后將它們轉(zhuǎn)運(yùn)至黏膜側(cè)。在那里，pIgR經(jīng)由蛋白酶的切割形成游離的分泌組份（secretory component, SC）并與IgA/IgM共同分泌 ADDIN EN.CITE ADDIN EN.CITE.DATA (1-5)。雖然這些內(nèi)容已經(jīng)是免疫學(xué)教科書(shū)里的經(jīng)典內(nèi)容，但很多科學(xué)問(wèn)題還沒(méi)有得到清晰的理解，包括IgM五聚體的組裝模式、J鏈發(fā)揮功能的分子機(jī)制、以及pIgR特異識(shí)別分泌型IgA/IgM的機(jī)制等。
2020年2月6日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院肖俊宇研究組在Science雜志在線發(fā)表題為“Structural insights into immunoglobulin M”的研究論文，首次報(bào)道了人源IgM-Fc（Fcm）五聚體/J鏈/分泌組份三元復(fù)合體整體分辨率為3.4 Å的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖1）。包括IgM-Cμ4結(jié)構(gòu)域、J鏈、pIgR/SC-D1結(jié)構(gòu)域等在內(nèi)的中心區(qū)域分辨率達(dá)到3.0 Å以下，可以清晰看到關(guān)鍵氨基酸的側(cè)鏈信息。
圖1. 人源IgM-Fc/J鏈/分泌組份復(fù)合體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)分析顯示，區(qū)別于教科書(shū)中傳統(tǒng)以來(lái)描述的五角星形狀，IgM-Fc采用非對(duì)稱(chēng)的方式形成五聚體，整體形狀類(lèi)似于缺少了一個(gè)角的六邊形。IgM-Fc羧基端的tailpiece通過(guò)致密的疏水相互作用緊密組裝在一起，形成五聚體的中心。J鏈伸展開(kāi)來(lái)形成兩個(gè)“翅膀”狀的結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)于IgM-Fc五聚體的缺口處。同時(shí)，J鏈也介導(dǎo)了IgM-Fc與pIgR/SC之間的相互作用。結(jié)合了IgM的pIgR/SC與apo狀態(tài)相比發(fā)生很大的構(gòu)象變化。進(jìn)一步結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，pIgR/SC主要通過(guò)其D1結(jié)構(gòu)域與IgM-Fc五聚體/J鏈相互作用，作者也通過(guò)生化手段對(duì)這些結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
這一工作顛覆了對(duì)IgM五聚體的傳統(tǒng)理解，闡明了J鏈發(fā)揮功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并揭示了pIgR特異性識(shí)別包括IgM在內(nèi)的多聚抗體的分子機(jī)制。該研究為深入理解IgM的生物學(xué)功能奠定了基礎(chǔ)，也為基于IgM抗體的藥物設(shè)計(jì)提供了重要參考。
Science雜志還同時(shí)在線發(fā)表了來(lái)自Genentech公司關(guān)于分泌型IgA的結(jié)構(gòu)研究，與本研究成果相互映襯，互為補(bǔ)充。
蛋白質(zhì)與植物基因研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大清華生命科學(xué)聯(lián)合中心肖俊宇研究員為該論文的通訊作者。北京大學(xué)2015級(jí)博士研究生（PTN項(xiàng)目）李雅鑫和生命學(xué)院電鏡平臺(tái)王國(guó)鵬為該論文的共同第一作者。北京大學(xué)生命學(xué)院的高寧教授對(duì)該研究進(jìn)行了重要指導(dǎo)。北京大學(xué)蘇曉東教授以及李寧寧副研究員、朱秦毓、王禹心、褚華瑞，還有北京大學(xué)第一醫(yī)院腎內(nèi)科的于峰醫(yī)生、譚穎醫(yī)生、吳文君同學(xué)也參與了此項(xiàng)研究工作。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京大學(xué)臨床+X項(xiàng)目、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院?jiǎn)|產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基金的經(jīng)費(fèi)資助。北京大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)和高性能計(jì)算平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的收集和處理給予了大力支持。
原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/early/2020/02/05/science.aaz5425
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