北京大学肖俊宇等团队合作最新Science子刊

多聚免疫球蛋白是有颌类脊椎动物免疫系统的关键组分。哺乳动物免疫球蛋白M（IgM）通常形成由连接链（J链）连接的五聚体，而非洲爪蟾（Xenopuslaevis）的IgX则可组装为不依赖J链的多聚体。

近日，北京大学肖俊宇，高宁和Chenggong Ji共同通讯在Science Advances（IF=11.7）在线发表题为“XenopusIgXinforms engineering strategies of IgM and IgG hexamers”的研究论文。该研究通过冷冻电子显微镜（cryo-EM）解析了IgX的结构，揭示了其六聚体构型。将IgX尾部片段引入人IgM后，作者成功实现了高效的IgM六聚体形成。将IgM天然尾部片段截短至11–16个残基范围，亦可显著提升六聚化效率。

此外，将截短的IgM尾部片段引入IgG抗体后，同样实现了有效的IgG六聚体组装。进一步实验表明，靶向CD20的工程化IgM与IgG六聚体在多种B淋巴瘤细胞中均表现出强大的补体依赖性细胞毒性（CDC）。同时，IgG-Fc六聚体可作为诱饵分子，在细胞培养模型中有效抑制CDC活性。这些发现深化了作者对多聚免疫球蛋白演化机制的理解，并为开发基于IgM与IgG的创新生物制剂提供了新策略。

聚合免疫球蛋白（pIgs）在所有有颌类脊椎动物的免疫系统中发挥着至关重要的作用。免疫球蛋白M（IgM）是最古老的抗体类别之一，在进化历程中高度保守，并作为聚合免疫球蛋白的原型。哺乳动物的IgM在与连接链（J链）结合后通常组装为五聚体形式。J链赋予IgM五聚体独特的特性，并增强其与多种受体及结合蛋白（例如pIgR、FcμR和CD5L）的交互作用。IgM重链C末端的18个残基尾片段对于多聚化及与J链的结合至关重要。免疫球蛋白A（IgA抗体）中也存在类似的尾片段，同样促进其多聚化及与J链的交互作用。在缺乏J链的情况下，哺乳动物IgM可形成多种多聚结构，包括六聚体、五聚体和四聚体。硬骨鱼类中不存在J链，其IgM呈现出独特的四聚体构型。

聚合免疫球蛋白的多价特性赋予其高亲合力，这对于高亲和力结合抗原及触发特异性抗体效应功能至关重要。例如，IgM是补体系统的有效激活剂，而补体系统作为先天免疫系统的关键组成部分，能够促进微生物病原体和受损细胞的清除。经典补体途径由C1复合物的激活启动，其中C1q与结合抗原的IgM或IgG抗体发生结合。值得注意的是，IgM六聚体激活补体系统的效率显著高于五聚体，这很可能源于C1q适配蛋白自身的六聚体结构。IgG抗体同样可激活经典补体途径；然而，由于IgG在溶液中以单体形式存在，需要多个（理想情况下为六个）IgG分子聚集才能有效招募C1q。

非洲爪蟾的Fcχ能够形成稳定的六聚体结构（图片源自Science Advances）

鉴于工程化改造后抗体所表现出的高效补体依赖性细胞毒性（CDC）活性，促进IgG形成六聚体已成为抗体药物开发的重要方向。构建类IgM型IgG的策略包括：将18个氨基酸的IgM尾片段（UTP）或其C575S变体与IgG重链融合，以利用UTP的多聚化能力；此外，在IgG-Fc（Fcγ）中引入L309C突变以模拟IgM中的Cys414，从而促进相邻IgG分子间二硫键的形成。进一步的修饰包括将FcγC末端的六个氨基酸（SLSPGK）替换为UTP前的IgM序列（DKSTGK），并在μtp中引入V567I和A572G两个点突变以改善多聚化（以下称为FcγInnovent）。另外，在数种抗体（包括两种抗HIV-1 gp120抗体b12和2G12）的晶体晶格中已观察到IgG六聚体结构。基于通过晶体对称性重建的b12六聚体结构，研究人员策略性地设计了如E345R、E430G和S440Y等点突变，以增强Fcγ-Fcγ交互作用并促进六聚体形成。这些创新构成了HexaBody抗体技术平台的基础，标志着抗体工程领域的一项重大进展。类似地，H429Y或H429F突变（Stellabody）以及Q311R/M428E/N434W组合突变也能导致IgG寡聚化增强和/或补体激活水平升高。

非洲爪蟾（Xenopuslaevis）在进化上连接了硬骨鱼类与更高等的脊椎动物，是研究免疫球蛋白早期多样化事件的理想模型。在爪蟾体内存在两种聚合免疫球蛋白：IgM和IgX。IgX主要存在于黏液分泌物中，被认为在功能上类似于IgA抗体，尽管其在结构上与IgM更为相似，包含四个恒定区结构域，而IgA抗体仅有三个。IgX可形成多聚体。但与IgM和IgA抗体不同，IgX似乎不与J链结合。这一发现促使作者对其组装机制进行更深入的研究。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea3737