新生兒Fc受體免疫學(xué)功能及研究進(jìn)展①

宮照乾 徐雅楠 鄧光存 吳曉玲 （寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，銀川 750021）

新生兒Fc 受體（neonatal Fc receptor，F(xiàn)cRn）最初在嚙齒動(dòng)物腸道中被分離，早期發(fā)現(xiàn)FcRn的功能是將母體中的抗體傳遞給新生幼體，在該抗體轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，F(xiàn)cRn僅在酸性條件下結(jié)合IgG，結(jié)合后介導(dǎo)IgG 跨過(guò)胎盤屏障從母體轉(zhuǎn)移至胎兒體內(nèi)，從而為新生胎兒提供成年個(gè)體所具備的體液免疫能力。因此，F(xiàn)cRn在新生哺乳動(dòng)物被動(dòng)獲得母體免疫中起重要作用［1］。此外，與其他Fcγ 受體家族成員（FcγRs）不同的是，F(xiàn)cRn不僅表達(dá)于細(xì)胞膜，多種類型細(xì)胞內(nèi)均存在FcRn。因此，F(xiàn)cRn 能在吞噬細(xì)胞的酸化內(nèi)體中結(jié)合IgG 及白蛋白，并通過(guò)再循環(huán)機(jī)制將其重新釋放至血液，使其免受降解并維持較長(zhǎng)的血清半衰期。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)cRn還參與調(diào)節(jié)先天免疫應(yīng)答，并在抗原加工呈遞過(guò)程中發(fā)揮重要作用［2］。FcRn 的免疫調(diào)節(jié)功能不僅局限于新生兒，在整個(gè)生命過(guò)程中始終發(fā)揮不可或缺的作用。目前FcRn 能夠靶向IgG 這一特性已被廣泛用于免疫缺陷病及癌癥等多種疾病治療。此外，對(duì)FcRn的深入研究不僅能夠有效促進(jìn)IgG 及白蛋白類治療藥物發(fā)展，還使一些藥物跨過(guò)黏膜屏障進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，使藥物治療效果最大化［3］。

1 新生兒Fc受體概述

1.1 FcRn 簡(jiǎn)介 FcRn 又稱Brambell 受體，是一種由Fcgrt 基因編碼的非典型Fcγ 受體（FcγRs），其歷史可追溯至1958 年，ROGERS BRAMBELL 首次提出了細(xì)胞受體假說(shuō)，認(rèn)為該受體負(fù)責(zé)將母體IgG 通過(guò)卵黃囊和新生兒腸道轉(zhuǎn)運(yùn)至胎兒體內(nèi)，卵黃細(xì)胞檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，這種轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)IgG 亞型具有高度選擇性，且僅依賴于IgG 分子上恒定的Fc 部分［4］?；谝陨辖Y(jié)果，BRAMBELL 首次提出單個(gè)細(xì)胞受體是介導(dǎo)這些細(xì)胞屏障上IgG胞吞的關(guān)鍵因素。

20 世紀(jì)70 年代，有研究表明IgG 在新生大鼠腸上皮轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程嚴(yán)格依賴于pH 值，即新生兒從母體攝取IgG 過(guò)程僅在酸性pH 值，而不會(huì)在生理pH 值下發(fā)生。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該受體被鑒定為來(lái)自于新生鼠腸道，其三維結(jié)構(gòu)由異二聚體蛋白F40-46 和1 個(gè)12 kD 的亞基構(gòu)成［5］。隨后研究者克隆了相應(yīng)基因發(fā)現(xiàn)，12 kD 亞基為β2-微球蛋白（β2m），而F40-46 為與Ⅰ類主要組織相容性復(fù)合物（classⅠmajor histocompatibility complex，MHC Ⅰ）相關(guān)的重鏈（α鏈）。由于這一發(fā)現(xiàn)，該受體被命名為FcRn［6］。后續(xù)研究表明，F(xiàn)cRn 廣泛表達(dá)于各組織細(xì)胞中，包括與血管壁對(duì)齊的內(nèi)皮細(xì)胞、腸上皮細(xì)胞、氣道上皮細(xì)胞、胎盤合胞體滋養(yǎng)細(xì)胞、肝細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、髓樣細(xì)胞及支氣管導(dǎo)管細(xì)胞等［5］。在造血細(xì)胞，如B 細(xì)胞、巨噬細(xì)胞及樹突狀細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了高表達(dá)的FcRn，該發(fā)現(xiàn)能夠增加FcRn直接參與IgG復(fù)合抗原向T細(xì)胞表達(dá)的可能性［5］。

1.2 FcRn 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) FcRn 是一種Ⅰ型膜糖蛋白，其結(jié)構(gòu)與MHC Ⅰ相似，是由1 個(gè)40 kD 的大亞基和1 個(gè)12 kD 的小亞基以非共價(jià)鍵結(jié)合形成的異源二聚體。其中大亞基又稱α 鏈，包括3 個(gè)胞外結(jié)構(gòu)域（αl、α2 和α3）、1 個(gè)跨膜區(qū)和1 個(gè)含44 個(gè)氨基酸的細(xì)胞質(zhì)尾部。小亞基又稱β 鏈，即β2-微球蛋白（β2m）［7］。PAM BJORKMAN 團(tuán)隊(duì)解析MHCⅠ晶體結(jié)構(gòu)表明，α1 和α2 結(jié)構(gòu)域位于α3 結(jié)構(gòu)域和β2m 頂部，不同的是相比于MHCⅠ在FcRn 中肽末端錨定的2 個(gè)位點(diǎn)被精氨酸側(cè)鏈和α2 螺旋區(qū)的脯氨酸殘基阻斷［8］。

抗體的Fc結(jié)構(gòu)域是多種蛋白類分子的靶標(biāo)，因此可充當(dāng)效應(yīng)分子配體?？贵w的多種生物學(xué)活性也取決于與這些效應(yīng)分子的相互作用，包括FcγRs、補(bǔ)體成分C1q 及FcRn［9］。可溶性FcRn 晶體結(jié)構(gòu)分析表明，F(xiàn)cRn 以2∶1 比例與IgG 的Fc 部分結(jié)合，以1∶1比例結(jié)合白蛋白［10］。FcRn與配體的結(jié)合僅在體內(nèi)pH<6.5 時(shí)發(fā)生，結(jié)合后FcRn 將配體轉(zhuǎn)運(yùn)回細(xì)胞膜，在細(xì)胞外液pH=7.4 時(shí)將其重新釋放［11］。以IgG為例，這種pH依賴的相互作用是由于FcRn在CH2∶CH3 界面（H310 和H435）與2 個(gè)組氨酸結(jié)合而產(chǎn)生的，即在低pH 時(shí)能夠發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)［5］。FcRn-IgG這一特性對(duì)于FcRn 介導(dǎo)IgG 穿梭作用至關(guān)重要。大鼠FcRn 和IgG 結(jié)合的研究表明，IgG 的FcRn 接觸位點(diǎn)包括天冬氨酸137、α2 結(jié)構(gòu)域內(nèi)的N-聚糖和β2m的N末端，且IgG-Fc結(jié)構(gòu)域在酸性pH下的臨界結(jié)合位點(diǎn)位于α3 結(jié)構(gòu)域中的1 對(duì)組氨酸中。葡萄球菌蛋白A 阻斷FcRn 與IgG 結(jié)合的實(shí)驗(yàn)再次確定CH2-CH3結(jié)構(gòu)域界面是FcRn-IgG 相互作用的關(guān)鍵位點(diǎn)（圖1）［12］。

圖1 IgG與Fc效應(yīng)分子相互作用示意圖［5，11］Fig.1 Interaction of IgG with Fc effector molecules［5，11］

2 FcRn的生物學(xué)功能

2.1 FcRn介導(dǎo)抗原呈遞 免疫應(yīng)答過(guò)程是否協(xié)調(diào)對(duì)多細(xì)胞生物維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，此過(guò)程的基礎(chǔ)為抗原識(shí)別、加工及呈遞。免疫球蛋白是一種獨(dú)特的分子，能夠同時(shí)識(shí)別多種抗原并被多種受體識(shí)別，其中IgG 亞類的豐富性及其結(jié)合信號(hào)受體的多樣性使其成為一種重要的免疫調(diào)節(jié)分子［13］。而FcγRs 對(duì)IgG 的識(shí)別代表了一種重要的免疫調(diào)節(jié)方式，即能夠與IgG 上保守的Fc 結(jié)構(gòu)域結(jié)合，再以IgG免疫復(fù)合物（IgG IC）形式遞送獨(dú)特的抗原決定簇［14］?？乖蔬f細(xì)胞中，此過(guò)程是通過(guò)細(xì)胞膜表面的FcγRs 啟動(dòng)的，而后使IgG 發(fā)生內(nèi)在化并向內(nèi)吞小泡遞送［2］。雖然單體IgG 能夠有效地再循環(huán)到細(xì)胞表面，但含抗原的IgG IC僅能被轉(zhuǎn)運(yùn)到囊泡，并在復(fù)合抗原的加工過(guò)程釋放抗原決定簇。這些抗原決定簇被裝載到Ⅰ類和Ⅱ類MHC分子上，隨后激活相關(guān)CD8+和CD4+T細(xì)胞［15］。

進(jìn)入細(xì)胞后，IgG 或IgG IC 所通過(guò)的酸性運(yùn)輸途徑既不由經(jīng)典FcγRs介導(dǎo)也不由非特異性分布機(jī)制介導(dǎo)，而是由FcRn 介導(dǎo)［13］。因此，除在細(xì)胞表面能夠與IgG 結(jié)合的經(jīng)典FcγRs 外，細(xì)胞內(nèi)終身存在的FcRn 在一定程度上也決定了IgG 和IgG IC 在細(xì)胞中的命運(yùn)［16］。

由FcRn介導(dǎo)的抗原呈遞過(guò)程大致為：來(lái)源于微生物或腫瘤的抗原在進(jìn)行IgG 處理后形成IgG IC，IgG IC 能夠與樹突狀細(xì)胞（dendritic cell，DC）表面的FcγRs結(jié)合并啟動(dòng)受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用，從而將IgG輸送至細(xì)胞內(nèi)溶酶體系統(tǒng)。V-ATPase 使囊泡中的環(huán)境pH值更低，為IgG從FcγRs上脫離并與FcRn結(jié)合提供了合適條件。隨后IgG IC 進(jìn)入抗原加工階段，從而促進(jìn)能夠裝載到Ⅰ類和Ⅱ類MHC分子上的相容表位產(chǎn)生［17］。這些載有肽的MHC 分子可激活CD8+T 和CD4+T 細(xì)胞，并通過(guò)FcRn-IgG IC 誘導(dǎo)DC產(chǎn)生IL-12。分泌型的IL-12 可作用于激活的CD4+T細(xì)胞誘導(dǎo)Th1 極化，此外還可作用于CD8+T 細(xì)胞促進(jìn)細(xì)胞活化及細(xì)胞毒性。因此，DC 中的FcRn 有助于激活細(xì)胞介導(dǎo)的適應(yīng)性免疫應(yīng)答，從而有利于機(jī)體消除病原體及腫瘤（圖2）［13］。

圖2 FcRn 將IgG 復(fù)合抗原呈遞給CD4+T 和CD8+T 細(xì)胞的過(guò)程［4］Fig.2 FcRn enables presentation of IgG-complexed anti?gens to CD4+T and CD8+T cells［4］

DC 中，由FcRn 與MHC Ⅱ類分子介導(dǎo)的向CD4+T 淋巴細(xì)胞及CD8+T 淋巴細(xì)胞呈遞抗原的過(guò)程稱為交叉遞呈，由于該過(guò)程涉及細(xì)胞外抗原交叉又稱為MHC Ⅰ依賴性途徑［9］。目前由FcRn 介導(dǎo)的抗原遞呈過(guò)程無(wú)法影響各部位穩(wěn)態(tài)免疫激活，且是內(nèi)源抗腫瘤活性及腫瘤免疫監(jiān)視系統(tǒng)的重要組成，該過(guò)程與已被廣泛認(rèn)可的CD8+T細(xì)胞在抗腫瘤方面的重要性一致，因此FcRn介導(dǎo)的交叉遞呈也能夠啟動(dòng)腫瘤保護(hù)機(jī)制［18-19］。

2.2 FcRn 對(duì)IgG 及白蛋白的保護(hù)作用 IgG 主要由脾臟及淋巴結(jié)中的漿細(xì)胞合成并分泌，常以單體形式存在，是血清中最主要的抗體。IgG 能夠通過(guò)胎盤屏障，因此在新生兒從母體中獲取抗體以具備抵抗感染的能力方面起重要作用［2］。多數(shù)體液免疫過(guò)程中，無(wú)論是針對(duì)病毒還是細(xì)胞病原體的保護(hù)作用均涉及IgG介導(dǎo)的效應(yīng)子功能［20］。除IgG外，白蛋白也是最豐富的血漿蛋白之一，可通過(guò)與多種配體結(jié)合及延長(zhǎng)循環(huán)半衰期促進(jìn)脂肪酸、膽紅素和血紅素等化合物運(yùn)輸。已有研究報(bào)道，F(xiàn)cRn能與這兩種蛋白結(jié)合，并能夠保護(hù)這兩種蛋白免于分解代謝，促進(jìn)其循環(huán)利用［14］。2003 年，克拉克安徒生團(tuán)隊(duì)證實(shí)了FcRn 和白蛋白的結(jié)合位點(diǎn)并證明與FcRn-IgG相互作用的pH 依賴性相似，F(xiàn)cRn 和白蛋白通常也在酸性pH 下結(jié)合，在中性或堿性下不結(jié)合［21］。肝臟是維持白蛋白穩(wěn)態(tài)的重要器官，研究表明，肝臟也是FcRn結(jié)合白蛋白的關(guān)鍵部位，其結(jié)合量與全身降解量基本相同，提示FcRn在維持體內(nèi)白蛋白穩(wěn)態(tài)中具有關(guān)鍵作用［22］。

比白蛋白更值得關(guān)注是IgG 穩(wěn)態(tài)維持也代表了體液免疫的一個(gè)基本方面，泛素化表達(dá)的FcRn可通過(guò)胞嘧啶攝取方式進(jìn)入細(xì)胞拯救出即將被降解的IgG 及白蛋白，從而維持體內(nèi)免疫球蛋白穩(wěn)定［23］。以IgG 為例，該回收利用的過(guò)程是表達(dá)FcRn 的細(xì)胞通過(guò)形成內(nèi)吞小泡攝取IgG 后形成酸化內(nèi)體，酸化內(nèi)體中的pH 降低至6.0 后，F(xiàn)cRn 與IgG 結(jié)合形成復(fù)合物。該復(fù)合物通過(guò)再循環(huán)回到細(xì)胞膜表面，由于血液pH=7.4 時(shí)對(duì)FcRn 親和力較弱，因此復(fù)合物發(fā)生解離，IgG則被再次釋放到血液完成1次循環(huán)再利用。而在酸化內(nèi)體中未能與FcRn 結(jié)合的IgG 則被運(yùn)送到溶酶體內(nèi)被降解（圖3）［24］。FcRn缺陷型小鼠動(dòng)力學(xué)研究證明，穩(wěn)態(tài)下FcRn從降解途徑中拯救出的IgG 產(chǎn)量幾乎是自身產(chǎn)生的4倍。由此推斷FcRn在整個(gè)生命過(guò)程中對(duì)IgG 的體內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)起廣泛作用。

圖3 FcRn介導(dǎo)IgG和白蛋白循環(huán)的胞吞作用［26］Fig.3 FcRn mediates endocytosis of IgG and albumin cycling［26］

3 基于FcRn的免疫治療應(yīng)用研究進(jìn)展

3.1 工程化的Fc融合蛋白可延長(zhǎng)治療性抗體半衰期 Fc 融合蛋白是由IgG 的Fc 結(jié)構(gòu)域與所需目標(biāo)蛋白相互作用組成的。過(guò)去十多年中，采用Fc工程技術(shù)生成具有提高體內(nèi)半衰期和跨細(xì)胞屏障運(yùn)輸功能的抗體已成為產(chǎn)生“第二代”治療性抗體的主要領(lǐng)域。Fc 融合蛋白表現(xiàn)出的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)中，最引人注目的是與FcRn 相互作用的能力。常見(jiàn)的Fc 融合蛋白即為FcRn-IgG，能夠使IgG 在體內(nèi)重新循環(huán)以延長(zhǎng)其血漿半衰期。利用該特性可顯著改善治療性抗體半衰期，減少胃腸外給藥頻率［25］。WARD等［26］在一項(xiàng)關(guān)于小鼠Fc 突變體的研究中發(fā)現(xiàn)，pH=6.0條件下增加FcRn-IgG 親和力能夠?qū)е陆?jīng)工程改造的IgG 具有更高的血清持久性。此類研究在小鼠體內(nèi)也證明了FcRn 介導(dǎo)的半衰期延長(zhǎng)可提高機(jī)體抗腫瘤能力。表明至少在特定小鼠癌癥模型中，通過(guò)延長(zhǎng)半衰期增加藥物暴露可保持藥物功效并減少給藥頻率。總之，F(xiàn)cRn有助于組織特異性藥物積累，并可能成為用于改善藥物在腫瘤和周圍器官內(nèi)累積的靶標(biāo)［27］。

3.2 FcRn 通過(guò)轉(zhuǎn)胞吞作用實(shí)現(xiàn)藥物傳遞 FcRn除回收抗體外，還可透過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)行免疫球蛋白雙向轉(zhuǎn)運(yùn)，從而為蛋白類藥物穿過(guò)腸屏障進(jìn)入血液提供了可行途徑。但由于胃腸道嚴(yán)格的蛋白水解環(huán)境和腸上皮低蛋白滲透性，口服蛋白治療劑仍是蛋白藥物遞送的最大難題［28］。除口服外，從肺吸入是以非侵入方式輸送蛋白的另一途徑。與腸相比，肺pH 較為中性，蛋白水解酶活性也相對(duì)較低，且上皮可滲透小肽和蛋白分子。因此關(guān)于FcRn 在小鼠肺支氣管上皮細(xì)胞中的生物表達(dá)研究及Fc 融合蛋白實(shí)驗(yàn)證實(shí)FcR有望成為跨肺輸送蛋白藥物的可行目標(biāo)［29］。如促紅細(xì)胞生成素Fc 融合蛋白（EPO-Fc）的肺部遞送能夠使FcRn 特異性從肺腔轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入體循環(huán)，并同時(shí)具有類似于皮下給藥的生物利用度［30］。Fc融合蛋白或Fc功能化的納米顆粒（Fc-NP）傳遞到肺空域或腸道管腔的轉(zhuǎn)胞作用中，F(xiàn)c-融合蛋白或Fc-NP一旦輸送到組織間隙就可通過(guò)穿透毛細(xì)血管內(nèi)皮屏障直接進(jìn)入體循環(huán)，或在進(jìn)入血液前先進(jìn)入淋巴系統(tǒng)再間接進(jìn)入體循環(huán)（圖4A、D）［31］。Fc 融合蛋白或Fc-NP 可被表達(dá)FcγRs 的駐留DC 或巨噬細(xì)胞吞噬（圖4B、C）。因此，F(xiàn)c融合蛋白或Fc-NP便可通過(guò)表達(dá)FcRn 的APC 進(jìn)行再循環(huán)，或轉(zhuǎn)移至溶酶體，此過(guò)程中蛋白水解肽可加載到MHC 分子上。APC 遷移至淋巴結(jié)并刺激T 細(xì)胞反應(yīng)，從而誘發(fā)免疫應(yīng)答（圖4E）［32］。這一給藥方式比口服更具有實(shí)現(xiàn)非侵入性蛋白遞送的可能，不僅能夠以無(wú)創(chuàng)方式遞送載有蛋白的納米顆粒，且治療效果理想。此外，靶向FcRn的納米顆粒還可用于開(kāi)發(fā)鼻內(nèi)疫苗或提高部分腸道或肺部疾病治療藥物功效［33］。

圖4 Fc融合蛋白或Fc-NP傳遞到肺空域的轉(zhuǎn)胞作用［29］Fig.4 Transcytosis of Fc-fusion proteins or Fc-NP delivered to lung airspace［28］

4 FcRn的研究前景與展望

隨著對(duì)FcRn生物學(xué)功能研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)FcRn 可作為一類潛在分子靶標(biāo)用于改善蛋白和大分子載體類藥物特性。此外，F(xiàn)cRn在黏膜表面和胎盤中的轉(zhuǎn)胞吞功能可能成為實(shí)現(xiàn)藥物傳遞的新方式。而優(yōu)化IgG 和FcRn 的相互作用對(duì)實(shí)現(xiàn)療效最大化及避免潛在毒性作用也至關(guān)重要［34］。因此，近年隨著基因工程和DNA技術(shù)發(fā)展，基于FcRn-IgG的治療藥物開(kāi)發(fā)也引起廣泛關(guān)注。通過(guò)延長(zhǎng)或減短工程化IgG 和白蛋白結(jié)合物半衰期已成為多種新型治療藥物的設(shè)計(jì)基石。如從單克隆抗體到Fc 融合蛋白，多種治療性抗體已被批準(zhǔn)用于癌癥、自身免疫性疾病及炎癥等重大疾病治療。目前FcRn 還被提議作為治療自身免疫性疾病的藥物靶標(biāo)，F(xiàn)cRn研究極具前景。因此，深入探討FcRn的免疫調(diào)節(jié)功能將為疫苗研發(fā)、新藥靶標(biāo)篩選等提供新的思路。