新生兒Fc 受體介導(dǎo)IgG 轉(zhuǎn)運(yùn)的研究進(jìn)展

郭錦玥，李安琪，羊露露，溫 峰，黃淑堅(jiān)

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 生命科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 佛山 528225）

抗體是體液免疫的主要組成部分，是一類(lèi)能與抗原特異性結(jié)合的免疫球蛋白，而免疫球蛋白主要包括IgA、IgD、IgE、IgG 和IgM 這5 類(lèi)。相較于其他4 類(lèi)免疫球蛋白，IgG 在血清中具有較長(zhǎng)的半衰期。同時(shí)IgG 還被認(rèn)為能夠通過(guò)胎盤(pán)屏障或初乳的形式將母源IgG 轉(zhuǎn)運(yùn)給胎兒或新生兒，并給予后代短期的被動(dòng)免疫保護(hù)作用。目前研究表明，新生兒Fc 受體（neonatal Fc receptor,FcRn）是維持血液中IgG 較長(zhǎng)半衰期以及胎兒或新生兒獲得母源IgG 的重要跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)受體［1-3］。另外，F(xiàn)cRn 還能介導(dǎo)特異性IgG 胞轉(zhuǎn)到黏膜表面，在腔道內(nèi)形成抗原-抗體復(fù)合物后，再由FcRn 將抗原-抗體復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)到黏膜固有層，被抗原遞呈細(xì)胞（APC）攝取并加工后，再遞呈給T 細(xì)胞，引起機(jī)體的適應(yīng)性免疫應(yīng)答。因此，F(xiàn)cRn 在黏膜免疫中起到重要作用［4-5］。

1 FcRn 的分子結(jié)構(gòu)及表達(dá)分布

FcRn 屬于I 型跨膜蛋白，由重鏈（α 鏈）與輕鏈（β2微球蛋白，β2m）組成。FcRn 的α 鏈與MHC-I 類(lèi)分子的α 鏈結(jié)構(gòu)相似，都具有3 個(gè)胞外結(jié)構(gòu)域（α1、α2、α3）、1 個(gè)跨膜區(qū)和1 個(gè)胞漿尾區(qū)，分子量大約在40～50 kDa 之間。FcRn 與MHC-I 類(lèi)分子主要的區(qū)別在于MHC-I 類(lèi)分子的重鏈α1 和α2 區(qū)之間形成肽結(jié)合凹槽，而這個(gè)區(qū)域在FcRn 分子中是閉鎖的，并被氨基酸側(cè)鏈遮蔽，從而使FcRn 不能結(jié)合并遞呈抗原肽［6］。而FcRn 的輕鏈與MHC-I 類(lèi)分子輕鏈相同均為β2m，其大小約14 kDa。重鏈與輕鏈需形成異源二聚體才能使FcRn 發(fā)揮其功能，如圖1 所示。

圖1 豬FcRn 結(jié)構(gòu)模式圖

FcRn 最初是在新生嚙齒動(dòng)物的腸道中分離到的，斷奶之后，腸道中FcRn 的表達(dá)量逐漸降低［2，7］。隨著研究不斷深入，發(fā)現(xiàn)不光在新生兒體內(nèi)具有FcRn 的表達(dá)，在成年哺乳動(dòng)物的呼吸道、消化道和生殖道的黏膜上皮細(xì)胞及肺臟、肝臟、腎臟、胎盤(pán)及乳腺等組織［8-11］，甚至在單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞及樹(shù)突狀細(xì)胞（DC）等一些免疫細(xì)胞上也有FcRn 的表達(dá)［12］。

2 FcRn 與IgG 的相互作用

FcRn 晶體結(jié)構(gòu)分析顯示，F(xiàn)cRn 主要與IgG Fc 片段CH2-CH3 之間的鉸鏈區(qū)結(jié)合，結(jié)合比率為2:1，即2 分子的FcRn 與1 分子的IgG 相互結(jié)合［13］。在IgG Fc 片段上的Ile253、His310 及His435 這三個(gè)氨基酸殘基是FcRn 與IgG 相互結(jié)合的關(guān)鍵位點(diǎn)。根據(jù)它們的pKa 值，這兩個(gè)組氨酸殘基在pH 6.0 時(shí)質(zhì)子化，能與FcRn 上的Glu115 和Asp130 相互作用。當(dāng)pH 逐漸從6.0 上升至7.0 時(shí)，組氨酸質(zhì)子化逐漸消失［14-16］。這也解釋了FcRn 介導(dǎo)IgG 的轉(zhuǎn)運(yùn)是pH 依賴(lài)的，即在酸性條件下pH＜6.5，F(xiàn)cRn 與IgG 結(jié)合，在中性偏堿性條件下pH＞7.0，F(xiàn)cRn 不與IgG 結(jié)合。除了FcRn 的重鏈與IgG Fc 片段相互作用外，β2m 輕鏈上Ile1 位點(diǎn)也與IgG 相互作用［17］。

近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)c 片段相同但Fab 片段不同的抗體對(duì)FcRn 顯示出不同的親和力及半衰期，分析可能是在生理pH 條件下，F(xiàn)ab 區(qū)的電荷分布及IgG 本身的等電點(diǎn)會(huì)影響與FcRn 的解離，導(dǎo)致IgG從FcRn 解離速率降低，使機(jī)體內(nèi)IgG 清除速度加快。運(yùn)用氫氘交換法研究也證明了不僅僅IgG Fc 區(qū)域，而且Fab 區(qū)域也參與FcRn 的結(jié)合，但其作用機(jī)制目前尚不清楚［18-20］。

3 FcRn 的功能作用

3.1 FcRn 在胎盤(pán)上的作用

人類(lèi)及靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物主要通過(guò)胎盤(pán)將母源IgG 轉(zhuǎn)運(yùn)給胎兒，使胎兒獲得天然被動(dòng)免疫。研究發(fā)現(xiàn)FcRn 表達(dá)在合胞體滋養(yǎng)層，合胞體滋養(yǎng)層細(xì)胞將母源血液中的IgG 胞吞進(jìn)入胞內(nèi)體；胞內(nèi)體逐步酸化，使FcRn 與IgG 結(jié)合；接著胞內(nèi)體在合胞體滋養(yǎng)層胎兒這面與細(xì)胞膜融合，在生理pH 值條件下，IgG 從FcRn 上解離，使胎兒獲得母源IgG；最后，F(xiàn)cRn 通過(guò)滋養(yǎng)層細(xì)胞返回母體這面，進(jìn)行下一個(gè)胞吞轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程［21-22］。

3.2 FcRn 在乳腺上的作用

由于大多數(shù)哺乳動(dòng)物的乳汁中含有大量的IgG，于是研究發(fā)現(xiàn)在它們的乳腺組織中均有FcRn 的表達(dá)［8，23］。乳腺上皮細(xì)胞基底側(cè)胞吞組織間隙液中母源IgG 進(jìn)入胞內(nèi)體，在酸性胞內(nèi)體環(huán)境中與FcRn相互結(jié)合，最后釋放到腺泡腔中。這與在腸道中將母源IgG 從細(xì)胞基頂側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)到基底側(cè)的方向相反。Lu等［24］運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將牛FcRn 基因在哺乳期小鼠的乳腺中超表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因小鼠的母乳中，IgG 的含量明顯升高，說(shuō)明FcRn 在介導(dǎo)母源IgG 分泌到初乳或常乳中起到關(guān)鍵作用。

3.3 FcRn 在腸道上的作用

新生反芻動(dòng)物及嚙齒動(dòng)物主要通過(guò)初乳和常乳獲取母源IgG。新生兒攝入含有母源IgG 的初乳或常乳后，經(jīng)胃微酸環(huán)境后，到達(dá)十二指腸。在十二指腸部位，母乳中的IgG 與小腸上皮細(xì)胞基頂膜表面的FcRn 結(jié)合，并通過(guò)胞轉(zhuǎn)作用轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞基底側(cè)面，在生理pH 值條件下，釋放IgG 進(jìn)入血液循環(huán)，使新生兒獲得天然被動(dòng)免疫［7，25］。然而，研究發(fā)現(xiàn)，在成年哺乳動(dòng)物的腸道上皮細(xì)胞上也有FcRn 的表達(dá)，并能介導(dǎo)特異性IgG 雙向胞轉(zhuǎn)作用穿過(guò)緊密連接的上皮細(xì)胞屏障，即FcRn 可以介導(dǎo)特異性IgG 胞轉(zhuǎn)到腸腔中抵御病原的入侵，也可以將腸腔中形成的抗原-抗體復(fù)合物胞轉(zhuǎn)到黏膜固有層，被APC 攝取并加工后，再遞呈給T 細(xì)胞，引起黏膜免疫應(yīng)答，進(jìn)而誘導(dǎo)全身免疫應(yīng)答［4，26］。

3.4 FcRn 在血管內(nèi)皮細(xì)胞上的作用

IgG 在血液中具有較長(zhǎng)的半衰期，研究表明，血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)FcRn 對(duì)維持血液中IgG 半衰期的穩(wěn)定起重要作用［27］。血管內(nèi)皮細(xì)胞胞吞血液中的大分子物質(zhì)進(jìn)入酸性胞內(nèi)體，在酸性胞內(nèi)體中FcRn 和IgG 結(jié)合，避免IgG 被遞呈到溶酶體降解掉，然后胞內(nèi)體再與細(xì)胞膜融合，將IgG 釋放到血液中［28-29］。已有研究表明，F(xiàn)cRn 基因缺失型小鼠一般會(huì)出現(xiàn)低丙球蛋白血癥和低白蛋白血癥，并伴有IgG 半衰期變短及血液中IgG 含量降低等現(xiàn)象［30］。

3.5 FcRn 在腎臟上的作用

腎臟過(guò)濾血漿并代謝可溶性廢物。腎臟腎小球?yàn)V過(guò)膜具有選擇性濾過(guò)屏障作用，由最內(nèi)層腎小球毛細(xì)血管的內(nèi)皮細(xì)胞層、非細(xì)胞結(jié)構(gòu)的基膜層及最外層腎小囊上皮細(xì)胞層組成。在腎小囊上皮細(xì)胞層，其細(xì)胞表面有足狀突起，稱(chēng)為足細(xì)胞。血液經(jīng)過(guò)腎小球?yàn)V過(guò)膜濾過(guò)的液體稱(chēng)為原尿，其中不含有血細(xì)胞和70 kDa 以上的大分子蛋白質(zhì)。因此，血液中大量的白蛋白及IgG 被機(jī)體回收了。原尿生成后進(jìn)入腎小管，在近曲小管（PCT）將原尿中大部分葡萄糖、氨基酸和水重吸收到血液中，從而開(kāi)始尿液的濃縮和處理。

有研究表明，足細(xì)胞及PCT 上皮細(xì)胞均表達(dá)FcRn［31］，推測(cè)可能在腎臟濾過(guò)過(guò)程中，沉積在足細(xì)胞附近少量的IgG 被FcRn 轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞基底側(cè)面，隨原尿到達(dá)PCT 處，PCT 上皮細(xì)胞的FcRn 可介導(dǎo)IgG胞轉(zhuǎn)回機(jī)體的體循環(huán)［32］。有研究表明，在FcRn 基因缺失型小鼠，導(dǎo)致IgG 不能被轉(zhuǎn)運(yùn)，而是在足細(xì)胞附近沉積，堵塞腎臟過(guò)濾器，隨后引起血清誘導(dǎo)的腎炎在鏈球菌感染引起的腎小球腎炎及系統(tǒng)性紅斑狼瘡均是由于大量的IgG 沉積在足細(xì)胞附近，F(xiàn)cRn 介導(dǎo)IgG 轉(zhuǎn)運(yùn)達(dá)到飽和狀態(tài)，使IgG 不斷積累，引起腎損傷。

3.6 FcRn 在肺臟上的作用

在一些哺乳動(dòng)物中，肺臟是FcRn 表達(dá)的主要部位。然而，不同物種FcRn 表達(dá)位點(diǎn)存在差異。在靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物中，F(xiàn)cRn 主要表達(dá)于上呼吸道上皮細(xì)胞；在大鼠和奶牛中，F(xiàn)cRn 主要表達(dá)在細(xì)支氣管和肺泡上皮細(xì)胞［33-36］；在小鼠中，只在肺泡上皮細(xì)胞中檢測(cè)到非常低水平的FcRn 表達(dá)量，而在上呼吸道并沒(méi)有檢測(cè)到［12］。

目前有研究發(fā)現(xiàn)，將Fc 融合蛋白遞呈到靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的上呼吸道，通過(guò)FcRn 依賴(lài)途徑，使這些融合蛋白進(jìn)入體循環(huán)［37-39］。然而，與上呼吸道上皮細(xì)胞相比，肺泡上皮細(xì)胞的表面積較大，也可以通過(guò)FcRn介導(dǎo)IgG 胞轉(zhuǎn)作用，使IgG 進(jìn)入體循環(huán)［36］。因此，肺泡上皮細(xì)胞的這種作用不容忽視。目前根據(jù)FcRn 在肺組織上的作用，真核表達(dá)紅細(xì)胞生成素（EPO）與IgG Fc 片段的融合蛋白（Fc-EPO），以靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物為動(dòng)物模型，發(fā)現(xiàn)構(gòu)建的Fc-EPO 融合蛋白能跨上呼吸道上皮細(xì)胞屏障進(jìn)入血液。一期臨床實(shí)驗(yàn)表明，在人體內(nèi)這種Fc-EPO 融合蛋白也可以有效地被轉(zhuǎn)運(yùn)到正常人的血液里［40］。

3.7 FcRn 在血腦屏障上的作用

血腦屏障是中樞神經(jīng)系統(tǒng)和血液循環(huán)系統(tǒng)之間的屏障，限制了大分子物質(zhì)進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使其成為免疫特權(quán)部位。研究表明，在腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞和脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞均表達(dá)FcRn，并被認(rèn)為可以介導(dǎo)IgG 從腦轉(zhuǎn)運(yùn)到血液中［41-43］。在阿爾茨海默病的小鼠模型中，F(xiàn)cRn 在血腦屏障中的作用是參與淀粉樣蛋白β 肽特異性IgG 免疫復(fù)合物的清除［44］。在大鼠顱內(nèi)注射IgG 后發(fā)現(xiàn)，與FcRn 無(wú)親和力的IgG相比，與FcRn 有親和力的IgG 能更快地從大腦中清除［41］。然而，也有研究表明，F(xiàn)cRn 清除腦中IgG 的作用具有極大的局限性。對(duì)于FcRn 在血腦屏障及脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞中的作用還需要進(jìn)一步研究。

3.8 FcRn 在骨髓源細(xì)胞上的作用

有研究表明，F(xiàn)cRn 也大量表達(dá)在成年動(dòng)物骨髓分化的細(xì)胞上，比如單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和DC 細(xì)胞上均有FcRn 的表達(dá)，然而FcRn 在這些細(xì)胞上的功能仍需進(jìn)一步研究［12，45-46］。由于FcRn主要表達(dá)在抗原遞呈細(xì)胞（APC）上，推測(cè)它可能在IgG 介導(dǎo)的免疫應(yīng)答中發(fā)揮作用。對(duì)FcRn 缺失型（FcRn-/-）小鼠的免疫表型分析顯示，與野生型小鼠相比，F(xiàn)cRn-/-小鼠黏膜CD8+T 和NK 細(xì)胞以及脾臟CD8+T 細(xì)胞含量均有輕微的下降［47-49］。再次刺激機(jī)體時(shí)，F(xiàn)cRn-/-小鼠腸道固有層的CD8+T 細(xì)胞分泌的IFN-γ，IL-10 和TNF 比野生型小鼠分泌的低［48］。

表達(dá)FcRn 的骨髓源細(xì)胞在延長(zhǎng)循環(huán)中IgG 的半衰期起到一定的作用［12］。胞飲作用是FcRn 介導(dǎo)IgG 結(jié)合防止被降解掉的首要條件。巨噬細(xì)胞在體內(nèi)大量存在，同時(shí)也是體內(nèi)高度胞飲細(xì)胞，因此Challa 等［50］研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞上缺失FcRn 功能的小鼠與野生型小鼠相比，會(huì)導(dǎo)致IgG 的高度降解，使血液中IgG 水平降低三倍，而對(duì)于在B 細(xì)胞和DC 細(xì)胞上缺失FcRn 功能的小鼠則影響不大。目前，也有研究表明，在適應(yīng)性免疫中，人和小鼠DC 上的FcRn 能起到增強(qiáng)DC 攝取和遞呈抗原抗體復(fù)合物的作用。

4 FcRn 研究進(jìn)展及應(yīng)用前景

4.1 FcRn 研究進(jìn)展

豬傳染性胃腸炎（TGE）和豬流行性腹瀉（PED）都能引起仔豬急性、高發(fā)性、高度接觸性腸道疾?。?1-52］，目前的研究發(fā)現(xiàn)，在感染豬流行性腹瀉病毒（PEDV）的仔豬腸道內(nèi)FcRn 下調(diào)表達(dá)，可能與TLRs 信號(hào)通路有關(guān)［53］；同時(shí)在感染豬德?tīng)査跔畈《荆≒DCoV）的仔豬腸道內(nèi)FcRn 表達(dá)也是下調(diào)的［54］；而在感染豬傳染性胃腸炎病毒（TGEV）的豬小腸上皮細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)TGEV 的N 蛋白通過(guò)激活NFκB 信號(hào)通路上調(diào)FcRn 的表達(dá)，同時(shí)推測(cè)TGEV 感染細(xì)胞分泌的TGF-β 也參與上調(diào)FcRn 的表達(dá)［55］。由于FcRn 可介導(dǎo)IgG 轉(zhuǎn)運(yùn)穿過(guò)上皮細(xì)胞屏障將IgG 分泌到黏膜表面，對(duì)黏膜起到保護(hù)作用，因此可以從另一個(gè)角度闡明病原與黏膜相互作用機(jī)制。

近幾年研究還發(fā)現(xiàn)，人巨細(xì)胞病毒（HCMV）通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解途徑（ERAD）使FcRn 降解，抑制了機(jī)體的黏膜免疫和天然免疫，同時(shí)也縮短了血液和組織中IgG 的半衰期，HCMV 可能以此來(lái)逃避抗體介導(dǎo)的體液免疫反應(yīng)，有助于更好地理解HCMV 的致病機(jī)制及相關(guān)疾病的治療［56］。Zhao 等［57］通過(guò)CRISPR-Cas9 篩選發(fā)現(xiàn)FcRn 還是大部分B 族腸道病毒（EV-B）的脫殼受體，這一發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了該類(lèi)疾病治療性藥物的研發(fā)。

4.2 FcRn 應(yīng)用前景

由于FcRn 能與IgG Fc 片段相互結(jié)合，將IgG Fc 片段上幾個(gè)氨基酸殘基突變，可增強(qiáng)與FcRn 的結(jié)合力，延長(zhǎng)IgG 的半衰期。鑒于此，可以通過(guò)改良治療性抗體的Fc 片段，改善治療性抗體的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)特性。另一方面，也可以通過(guò)阻斷FcRn 與病原性抗體的結(jié)合有效治療自身性免疫疾病。主要是通過(guò)靜脈注射大量的免疫球蛋白，使FcRn 達(dá)到飽和狀態(tài)，阻止FcRn 與病原性抗體相互作用，同時(shí)促進(jìn)了病原性抗體的降解［58］。

目前也有通過(guò)構(gòu)建抗原與IgG Fc 片段的融合蛋白作為免疫抗原，通過(guò)滴鼻免疫的方式，使融合蛋白有效地穿過(guò)呼吸道上皮細(xì)胞屏障進(jìn)入血液循環(huán)，使機(jī)體產(chǎn)生了有效的黏膜免疫應(yīng)答，進(jìn)而誘導(dǎo)全身免疫應(yīng)答［59-61］。因此，可根據(jù)FcRn 在黏膜上皮細(xì)胞上的功能，有望研發(fā)新型的黏膜免疫疫苗。