研究阐明IgE高亲和力受体FcεRI复合物的组装机制

免疫球蛋白，也被称为抗体，是体液免疫系统的核心成分。人体免疫系统演化出了五种类型的免疫球蛋白：IgA、IgD、IgE、IgG和IgM，以应对多样的病原体挑战。在先前的研究中，蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心、昌平实验室肖俊宇教授团队对IgM和IgA的分子机制进行了深入研究，阐明了这两种免疫球蛋白如何形成多聚体，并揭示了它们黏膜转运的分子机制。此外，他们还分析了IgM受体分子FcμR，以及包括疟原虫和肺炎链球菌在内的病原体效应蛋白如何特异性靶向识别IgM或IgA。这些研究为理解这两种免疫球蛋白的功能提供了新的视角1—5。

IgE是最晚被发现的免疫球蛋白亚型，在抗毒素、抗寄生虫感染方面发挥着重要作用。同时，IgE 也对包括花粉在内的其他外界物质和自身分子产生反应，导致过敏性疾病的出现，如哮喘、过敏性鼻炎、特应性皮炎、慢性荨麻疹等6,7。目前，过敏性疾病已成为发病率增长最快的疾病之一。据估计，全球超过25%—30%的人口受到这些疾病的影响8。而且，过敏性疾病患病率有逐年增长之势，给个人以及社会造成严重负担，是重要的公共健康问题。

FcεRI高表达于肥大细胞和嗜碱性细胞，是识别并传导IgE信号、诱发过敏反应的关键受体分子9。FcεRI由FcεRIα、FcεRIβ以及形成同源二聚体的FcεRIγ（也称作FcRγ） 组成异源四聚体，其中，FcεRIα识别来自于过敏原–IgE的免疫复合物的信号，FcεRIβ与FcεRIγ/FcRγ则响应该激活信号，其胞内的免疫受体酪氨酸激活基序（immunoreceptor tyrosine-based activation motif, ITAM）经由Src家族激酶磷酸化，从而诱发Syk家族激酶介导的信号级联反应，最终导致效应细胞脱颗粒及过敏反应。FcεRI作为过敏反应的中心分子，是过敏性疾病治疗的关键靶点。尽管如此，关于FcεRI 复合物组装的机制仍待深入研究。

肖俊宇课题组在Nature杂志在线发表了题为“Structural insights into the high-affinity IgE receptor FcεRI complex”的研究论文。这项研究首次揭示了IgE 的Fc 区 (Fcε) 与FcεRI 形成的复合物的冷冻电镜结构，为理解FcεRI的组装模式提供了重要视角。通过生化分析，研究还探讨了FcεRIγ/FcRγ与其他Fc受体的相互作用模式。

研究团队首先通过重组表达和内源分离纯化技术获得了Fcε-FcεRI复合物，并利用冷冻电镜技术对其进行了分析，获得了整体分辨率均为3Å左右、存在轻微差异的三种构象。其中，一种构象来自重组表达的FcεRI样品，其余两种来自内源FcεRI样品。在这些构象中，FcεRI的胞外域有轻微的角度摆动，而跨膜结构域则高度一致。FcεRIα的跨膜螺旋位于跨膜区的中心，与FcRγ同源二聚体形成三螺旋束，进而与FcεRIβ结合。FcεRIβ与B细胞表面抗原CD20同属于四次跨膜蛋白（Tetraspan）MS4A家族成员。与B细胞表面抗原CD20不同，FcεRIβ以单体形式存在，并通过与CD20二聚体类似的界面与FcεRIα–FcεRIγ2三聚体相互作用。在跨膜区胞内侧，观察到了胆固醇类似物分子的电子密度，该分子进一步增强了FcεRIβ与FcεRIα–FcεRIγ2三螺旋束之间的相互作用。

图1. Fcε-FcεRI复合物的结构

尽管最初作为FcεRI 复合物的一个亚基被鉴定出来，后续研究发现FcεRIγ也是IgG受体FcγRI、FcγRIIIA以及IgA受体FcαRI 的关键组分并介导相应的免疫应答过程，包括抗体依赖的的细胞毒性作用与吞噬作用等；因此，FcεRIγ也被称作Fc receptor gamma chain (FcRγ)。此外，FcεRIγ/FcRγ还能够与多种其他免疫受体结合，包括白细胞受体簇家族成员中的天然细胞毒性触发受体 1 (NCR1/NKp46)、血小板胶原受体糖蛋白 VI (GPVI)等，参与各类复杂的免疫反应。另外，FcεRIγ/FcRγ与TCR复合物的信号传导分子CD3ζ高度同源，且在一些特应条件下，能够替代CD3ζ组装形成非典型的TCR复合物。

图2. FcRγ结合不同的免疫受体从而介导各类免疫反应

为了深入探究FcεRIγ/FcRγ与其他Fc受体的组装机制，研究团队基于解析的结构，构建并筛选了两个FcεRIγ/FcRγ突变体，这些突变体能够破坏与FcεRIα的相互作用。生化验证表明，这些突变体能够影响FcεRIα的糖基化水平和细胞表面表达，进而显著影响IgE介导的脱颗粒功能。此外，研究还发现，这些突变体破坏了与FcγRIIIA的相互作用，并影响了其跨膜转运，但对于FcαRI，其中一个突变体仅轻微减弱了相互作用，且其跨膜转运不依赖于FcεRIγ/FcRγ。这些结果表明，FcεRIγ/FcRγ与FcγRIIIA的相互作用可能与FcεRIα相似，但与FcαRI的相互作用则有所不同。进一步分析表明，FcαRI在其跨膜区域内具有一个特征性的精氨酸，FcεRIγ/FcRγ可能通过Asp29与之相互作用，类似于TCR复合物中TCRα-Arg253与CD3ζ-Asp36的相互作用模式。

总之，这项研究增进了对FcεRI组装和功能的理解，也为其他利用FcεRIγ/FcRγ亚基传导信号的免疫受体提供了参考。

肖俊宇和昌平实验室杜硕副研究员为本论文的共同通讯作者。北京大学生命科学学院2020级博士研究生邓梅洁和杜硕副研究员为本论文共同第一作者。此外，北京大学前沿交叉学科研究院、昌平实验室2023级博士研究生侯涵迪为该论文提供了帮助。本研究得到了国家自然科学基金、昌平实验室、北京大学生命科学学院启东产业创新基金的经费支持。北京大学冷冻电镜平台、昌平实验室冷冻电镜平台、北京大学生命科学学院仪器中心为本项目提供了重要支持。

参考文献：

1 Li, Y. et al. Structural insights into immunoglobulin M.Science 367, 1014—1017, doi:10.1126/science.aaz5425 (2020).

2 Li, Y. et al. Immunoglobulin M perception by FcmuR.Nature 615, 907—912, doi:10.1038/s41586-023-05835-w (2023).

3 Ji, C. et al. Plasmodium falciparum has evolved multiple mechanisms to hijack human immunoglobulin M.  Nat Commun 14, 2650, doi:10.1038/s41467-023-38320-z (2023).

4 Wang, Y. et al. Structural insights into secretory immunoglobulin A and its interaction with a pneumococcal adhesin. Cell Res 30, 602-609, doi:10.1038/s41422-020-0336-3 (2020).

5 Wang, Y. & Xiao, J. Recent advances in the molecular understanding of immunoglobulin A.FEBS J , doi:10.1111/febs.17089 (2024).

6 Galli, S. J. & Tsai, M. IgE and mast cells in allergic disease.Nat Med 18, 693—704, doi:10.1038/nm.2755 (2012).

7 Gould, H. J. & Sutton, B. J. IgE in allergy and asthma today.Nat Rev Immunol 8, 205—217, doi:10.1038/nri2273 (2008).

8 Tanno, L. K. et al. Global implementation of the world health organization's International Classification of Diseases (ICD)-11: The allergic and hypersensitivity conditions model.Allergy 75, 2206—2218, doi:10.1111/all.14468 (2020).

9 Kinet, J. P. The high-affinity IgE receptor (Fc epsilon RI): from physiology to pathology.Annu Rev Immunol 17, 931—972, doi:10.1146/annurev.immunol.17.1.931 (1999).