【1.2.6】抗体的Fc受体--FcR(FcγR,FcRn)

在之前关于抗体的结构的文章中,我们提到抗体的Fab片段能够特异的结合侵入人体的病毒、细菌或毒素,利用抗体的中和作用失活病原,保护机体不被破坏,但中和作用无法在根本上将这些病原微生物及其产物在体内清除。

图1 抗体对病原的中和作用示意图。抗体的中和作用包括(A)阻止病原穿过皮肤、(B)阻止病原对宿主组织细胞的破坏和(C)使病原分泌的毒素失活。但是中和作用并不能从根本上将病原清除出宿主体内。

为了将病原在宿主体内清除,抗体的Fab片段和抗原特异结合后,还会利用其Fc片段和宿主的免疫细胞表面的Fc受体(Fc fragment receptor, FcR)结合,激活免疫细胞,活化的免疫细胞可以通过抗体介导的吞噬作用、抗体介导的细胞杀伤作用(antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity ,ADCC)等机制,清除病原微生物。

抗体介导的细胞杀伤作用。病毒进入宿主细胞后,会在细胞膜表面留下病毒的痕迹(病毒蛋白抗原,例如包膜蛋白),宿主抗体的Fab会和宿主细胞表面的病毒包膜蛋白结合,随后抗体的Fc部分和NK细胞表面的FcγRIII结合活化NK细胞,对宿主细胞进行杀伤。

正如下文所述,FcR主要在免疫细胞表面表达,这包括巨噬细胞、DC细胞、中性粒细胞、NK细胞、B细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞和肥大细胞等。

Fc的功能

  • Fc能够结合FcγRs,FcγRs主要表达在各类免疫白细胞上,当这类细胞被招募和激活,能引发抗体依赖细胞介导的细胞毒作用(ADCC)以及抗体依赖细胞介导的吞噬作用(ADCP),从而清除目标肿瘤细胞。
  • Fc也能够结合血清补体分子(C1q),继而形成膜攻击复合物(MAC)清除目的细胞,这一过程被称为补体依赖的细胞毒作用(CDC)。
  • Fc区域还能够以PH依赖的方式结合新生的Fc受体(FcRn),避免抗体被细胞核内体降解,从而延长单抗的半衰期。

一、FcR的基本结构

FcR是一类能够和抗体Fc片段特异结合的细胞表面蛋白,不同类型的细胞可以表达不同类型的FcR,对应的不同结构类型的抗体也和不同类型的FcR结合,从而诱导后续的不同类型的免疫反应。

FcR包含多个家族,各个家族成员之间的结构都非常相似。每一个FcR包含一个位于细胞表面的和配体特异性结合的α链和其它负责将FcR蛋白转运到细胞表面,以及传递FcR信号的链(FcRγ)。FcRγ通常为二聚体结构,是一种跨膜蛋白,通过其跨膜结构和α链耦联,其胞内结构包含ITAM或者ITIM结构域,行使介导FcR信号通路的作用。

1.1 IgG的FcR

IgG类型抗体的Fc受体是FcγR,依据和Fc片段亲和力的强弱FcγR又可以被分为三个亚家族:FcγRI、FcγRII和FcγRIII;对于不同亚型的IgG,IgG1和IgG3能够有效的激活FcγR,对应的IgG2和IgG4激活FcγR的能力就较弱。

Fc-gamma receptors (FcγR) 是免疫球蛋白 (Ig)G Fc 区的受体,参与多种先天性和适应性免疫反应,包括介导白细胞对抗原的特异性识别。

  • 取决于它们对IgG的亲和力,FcγR的可分为高亲和力FcγRI的,其结合单体IgG,
  • 而低亲和力受体的FcγRIIa,b和c和FcγRIIIa的和b 。
  • FcγRIIb 是唯一的抑制性受体,含有细胞内基于酪氨酸的抑制基序 (intracellular tyrosine-based inhibition motif ,ITIM)(图 1)。

尽管 FcγRII 和 -III 受体对单体 IgG 的亲和力较低,但它们能够通过多聚体的低亲和力、高亲和力(low-affinity, high-avidity)相互作用与聚集的 IgG 结合。FcγR 在整个造血系统中广泛表达;然而,每个 FcγR 的表达谱各不相同,FcγRI 在巨噬细胞、中性粒细胞和嗜酸性粒细胞上表达

已提出三种模型来解释静脉注射免疫球蛋白 (IVIg) 的抗炎活性. 在第一个模型中,IVIg(由富含唾液酸 [红色] 和低唾液酸 [蓝色] 抗体的混合物组成)结合激活免疫效应细胞上的 FcγR,从而阻止免疫复合物进入这些受体并抑制细胞激活。第二个模型提出 IVIg 与血清免疫球蛋白 (Ig) G(包括自身抗体)竞争由 FcRn 介导的再循环。因此,血清和自身抗体将被更快地清除并且不会达到启动组织破坏的阈值水平;在这个模型中,血浆置换或交换可以作为增强自身抗体清除的替代方式。在第三个模型中,IVIg 导致免疫效应细胞上抑制性 FcγRIIb 的上调,从而提高了免疫复合物激活细胞的阈值水平。

FcγRI (CD64)

FcγRI的结构比较特殊,其胞外的α链中有三个串联的Ig结构,而其他的FcR的胞外架构一般有两个Ig结构(见下图)。FcγRI主要在单核细胞、巨噬细胞和DC细胞上表达,在被IFNγ和G‐CSF激活后,中性粒细胞和嗜酸性粒细胞也会表达;FcγRI和IgG1和IgG3的结合力较强,可以介导免疫细胞抗体依赖的吞噬作用、ADCC等作用。

IgG的Fc片段细胞表面受体结构示意图。每个Ω形状代表一个类Ig结构域,由图可见FcγRI较特殊,α链有三个Ig结构域。另外,FcR的细胞内信号序列,只有FcγRIIb连接了抑制性序列ITIM。

FcγRII (CD32)

FcγRII有三种形式,FcγRIIa、FcγRIIb、FcγRIIc;FcγRIIa主要在中性粒细胞、单核细胞、DC细胞表面表达;FcγRIIc 主要在单核巨噬细胞、中性粒细胞和NK细胞表面表达;FcγRIIb的结构较特殊,其胞内结构域串联了一个ITIM结构(见上图),介导的是免疫抑制信号,激活后会下调细胞的相应功能,除FcγRIIb外所有FcγR介导的都为免疫细胞的激活信号。FcγRIIb主要在髓系细胞和B细胞表面(是B细胞表面唯一的FcR),在B细胞功能的负调节中起到重要作用。

FcγRIII (CD16)

FcγRIII 在体内有FcγRIIIa和FcγRIIIb两种亚型,和IgG的结合力分别为中度和低亲和力。FcγRIIIa几乎在所有白细胞中表达,主要负责NK细胞的ADCC作用和巨噬细胞对抗体-抗原免疫复合物的清除。FcγRIIIb主要在中性粒细胞中表达,可以刺激中性粒细胞超氧化物的释放。

1.2 IgE的FcR

FcεRI

FcεRI 在嗜酸性粒细胞和肥大细胞表面表达,和IgE结合后亲和力非常高,解离速率较低,解离半衰期约为20个小时;其结构包括和配体结合的α链、β链以及FcRγ二聚体(下图)。FcεRI 和IgE的特应性结合可以激活肥大细胞,激活后可以诱导肥大细胞的三种反应:肥大细胞的脱粒(Degranulation)、释放细胞因子和释放脂类介质。

FcεRI和IgE的结合模型图。FcεRI的α链负责和IgE的Fc结构特异性结合,β链和FcRγ二聚体胞内的ITAM结构域负责信号的胞内传导。

FcεRII (CD23)

为C型凝集素,是另外一种类型的IgE受体,亲和力较FcεRI差,目前对其功能的了解较少

1.3 IgA的FcR:FcαRI (CD89)

FcαRI 在单核细胞,巨噬细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和Kupffer细胞中表达;FcαRI和抗原的交联作用,可以诱导内吞、吞噬作用。炎症因子的释放和ADCC。其在单核细胞表面的表达可以受到细菌多糖的调节而上调。

二、FcRn

IgG还有另一个非常重要的细胞表面受体:FcRn(neonatal Fc receptor)。FcRn的结构和MHC-I分子类似,可以介导IgG从母体通过胎盘传递给婴儿,也可以帮助母乳中的IgG通过哺乳婴儿小肠细胞;

FcRn增长IgG抗体体内半衰期功能示意图。FcRn可以在酸性小泡内(pH < 7.0)和IgG结合,保护抗体大分子不被破坏,然后在pH 等于7.4的血液环境下,释放抗体大分子。

另外,FcRn在成年人和小孩体内都能够起到增长IgG类型抗体的半衰期的作用,这一作用可以在抗体药物设计上得到应用;通常,在人体内循环型的IgA的半衰期为3天,循环型的IgM半衰期为4天,对应的,IgG的半衰期为21~28天。另外,由于IgG3和FcRn的结合力较弱,FcRn对IgG3的半衰期延长几乎不起作用。

2.1 FcRn的机构和功能

FcRn是一种位于细胞膜表面的IgG抗体受体,其蛋白结构和MHC-I分子类似(详见抗体的FcR篇),主要在内皮细胞中表达(在其它组织或细胞中也能检测到),其结构包含由α链和β2微球蛋白组成的异二聚体(见下图)。FcRn可以和IgG的Fc部分结合,阻止IgG分子被溶酶体裂解,可以起到增长IgG体内半衰期的作用,参与到IgG的体内转运、维持和分布代谢过程中。

FcRn的结构。FcRn的结构包含由α链(α1、α2和α3)和β2微球蛋白组成的异二聚体,FcRn可以和IgG以及白蛋白结合,但是结合的位点不同,分别位于α链的内侧和外侧。

2.2 靶向FcRn和自身免疫疾病

自身免疫疾病的发病原因之一是因为体液免疫的紊乱导致的自身免疫抗体的增多,许多临床研究证明,干预性的清除自身免疫抗体可以有效控制疾病的进展。由于FcRn可以增长IgG半衰期的机制同时适用于自身免疫抗体,因此通过阻止Fc和FcRn的结合,也可以加快自体免疫抗体在体内的清除,从而达到治疗自身免疫疾病的作用。

研究发现,通过阻断FcRn可以选择性的清除血清中的IgG抗体,但对IgM、IgA和白蛋白没有影响。另外,FcRn阻断对IgG的清除作用是暂时且可恢复的,单次给药后,可以减少患者体内45%-85%的IgG,且在停药后59-57天左右可以恢复;

2.2 阻断FcRn的药物

阻断FcRn通路的药物包括靶向FcRn单克隆抗体药物和体外重组的Fc片段蛋白,相关领域的药物产品包括:Fc重组蛋白药物Efgartigimod 和单抗 Rozanolixizumab(UCB7665)、M281和 SYNT001等。

抑制FcRn通路的几种药物形式。其中Efgartigimod为Fc蛋白片段,ABY039为18kD的蛋白片段,其它均为不同形式的人源化抗体。

参考资料

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