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免疫激活型抗体药物作用机制研究获进展

人体内环境的稳态是机体进行正常生命活动的必要条件,而机体的免疫系统则是维持机体稳态的重要调节机制。在免疫系统中,自然杀伤(Natural
killer,
NK)细胞是一类由造血干细胞发育分化而来的淋巴细胞亚群,是天然免疫和细胞免疫的生力军。它能够释放穿孔素和颗粒酶直接介导靶细胞的坏死和凋亡,同时也通过释放多种细胞因子调节T、B淋巴细胞等多种免疫细胞功能,最终达到免疫监视和免疫稳态的目的。

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此后,上海药物所的相关科研团队再次联合攻关,成功解析了全长GCGR与胰高血糖素类似物NNC1702结合的复合物晶体结构,从而揭示了B型GPCR与多肽配体结合的精细模式。该项目负责人吴蓓丽表示:“这项成果是我们针对B型GPCR开展结构与功能研究的又一重要进展。GCGR与多肽配体相互作用模式的阐明不仅有助于深入理解B型GPCR对细胞信号分子的识别机制,并且为靶向GCGR的药物设计提供了迄今为止精度最高的结构模版,将在很大程度上促进治疗II型糖尿病的新药的研发。”

近年来,一类新发现的配对的NK细胞受体家族逐渐走入人们的视线,这就是由抑制型受体TIGIT、CD96和激活型受体DNAM-1组成的TIGIT-CD226-CD96受体家族。该受体家族分子通过特异性地识别相同配体——nectin/Necl家族分子CD155,调控NK细胞功能。TIGIT更是作为一种抑制型免疫检查点分子,被广泛应用于各种靶点细胞治疗的研究和临床应用当中。DNAM-1是该家族中唯一的激活型受体分子。因此,对DNAM-1与其配体的作用机制的研究,不仅能够阐明其激活NK细胞的作用机制,而且对以DNAM-1为靶点的免疫治疗性药物的开发具有重要价值。

研究团队发现4-1BB配体以三聚体的形式结合三个4-1BB
单体分子(mono-4-1BB)。进一步发现4-1BB的配体与激活型抗体utomilumab
结合4-1BB
的表位存在一定程度的重叠,提示二者竞争性结合4-1BB。通过流式细胞技术与Octet分子相互作用分析实验的验证表明二者结合4-1BB
时存在显著的竞争关系,utomilumab 结合4-1BB 后能够抑制4-1BB 与4-1BBL
的结合,表明在utomilumab的作用过程中会阻断4-1BBL介导的4-1BB活化信号。而之前的报道称针对4-1BB靶点的另外一个临床阶段的抗体药物urelumab并不能阻断4-1BBL介导的4-1BB活化信号。Utomilumab和urelumab的临床研究表明,utomilumab具有更好的临床耐受性,推测其对于4-1BBL介导的4-1BB活化信号的阻断可能是引起这一临床差异的因素之一。

全长GCGR结构示意图:GCGR参与调节体内血糖稳态,是治疗II型糖尿病药物的重要靶点。左图为全长GCGR蛋白与小分子变构调节剂NNC0640以及拮抗性抗体mAb1结合的复合物晶体结构;右图为全长GCGR蛋白与多肽配体NNC1702结合的复合物晶体结构。两个结构以飘带图和表面图表示,GCGR的跨膜结构域为蓝色,胞外结构域为橙色,连接肽为绿色,第一个胞外环区为紫红色,NNC1702为红色,抗体mAb1为蓝绿色。细胞膜以灰色区域表示。

NK细胞的功能受细胞表面“阴”、“阳”两类受体分子的协调控制。配对的抑制型受体和激活型受体能够识别相同的MHC-I类分子。由于抑制型受体与配体的亲和力较高,NK细胞通常处于抑制状态。病毒感染等刺激信号会导致激活型受体过表达,竞争性结合配体,激活NK细胞,使其“杀死”进入体内的病原微生物或清除体内不断出现的自身病变细胞。

近年来,三团队合作在免疫检查点抗体药物作用机制方面开展了系列研究工作,在PD-1,
PD-L1及CTLA-4等靶点抗体药物的结合机制、PD-1糖基化修饰对抗体药物影响等方面取得了新进展,为相关靶点药物开发提供了重要的理论依据。

该团队成员在以往研究中发现,GCGR连接胞外结构域和跨膜结构域的肽段通过与受体蛋白其他区域的相互作用,在受体活化调控中扮演关键角色。分析GCGR与多肽配体NNC1702结合的复合物结构,并与以往解析的全长GCGR结构进行比较,他们进一步发现该连接肽段在受体结合多肽配体时发生了显着的构象变化,其二级结构由β折叠转变为α螺旋,并伴随结构的迁移,使受体的两个结构域之间的相对取向发生了巨大变化,从而促进受体与多肽配体的紧密结合,导致受体激活。此外,该连接肽通过与多肽配体中段区域的相互作用对受体跨膜结构域的构象进行精细调节,进而调控受体活化。该论文的共同通讯作者赵强说:“这一发现着实令人惊叹,虽然只含12个氨基酸,但这个连接肽却发挥着如此重要的作用,这在过去的GPCR结构研究中从未被发现过,使我们对B型GPCR的信号调控机制有了更为深入的认识。”

高福团队解析了人DNAM-1和小鼠DNAM-1分子的胞外段高分辨率三维结构。通常而言,具有多个Ig样结构域的蛋白,其Ig样结构域间通常形成一种“头尾相接”的串联方式。这种“念珠”样的排列导致相邻两个Ig结构域之间具有一定的柔性,便于其通过构象调整而结合受体/配体分子。研究人员发现,由两个V型免疫球蛋白结构域构成的DNAM-1分子,其两个IgV结构域呈现独特的“肩并肩”的并排排列模式。这种特殊的串联方式使得两个结构域的β片层通过氢键网络连接成一个“刚性”的整体,从而产生了一种“超级免疫球蛋白
”结构域。类似的排列模式仅见于文昌鱼的免疫类似分子VCBP3(variable-region
containing chitin-binding protein
3)的结构中。研究人员推测,这种Ig结构域之间“肩并肩”的刚性排列可能会对其功能产生一定影响,而这种特殊的排列模式对于理解免疫球蛋白这类古老的免疫分子的进化规律提供了新的线索。

论文信息:Li Y#, Tan S#, Zhang C#, Chai Y, He M, Zhang C. W., Wang Q,
Tong Z, Liu K, Lei Y, Liu W, Liu Y, Tian Z, Cao X, Yan J, Qi, J, Tien
P*, Gao S*, Gao G.F.* Limited cross-linking of 4-1BB by 4-1BB ligand
and the agonist monoclonal antibody utomilumab.
Cell Rep. 2018.
Volume 25, Issue 4, 23 October 2018, Pages 909-920.e4.
doi.org/10.1016/j.celrep.2018.09.073.

近日,中国科学院上海药物研究所在B型G蛋白偶联受体(G protein-coupled
receptor,
GPCR)结构与功能研究方面取得又一项重要进展:首次测定了胰高血糖素受体(Glucagon
receptor,
GCGR)全长蛋白与多肽配体复合物的三维结构,揭示了该受体对细胞信号分子的特异性识别及其活化调控机制。这项成果有助于深入理解B型GPCR发挥生理效应的结构生物学基础,加快II型糖尿病治疗新药的开发。相关研究论文于1月4日在国际学术期刊《自然》上发表,通讯作者为研究员吴蓓丽和赵强。

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10月24日出版的Cell Reports
杂志报道了中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员高山团队联合中国科学院微生物研究所中科院院士高福、田波团队关于4-1BB与配体及激活型抗体作用机制的研究成果。

研究论文的第一作者是研究生张浩楠,该项目的主要合作者还有上海药物所研究员王明伟、杨德华,上海科技大学iHuman研究所教授Raymond
Stevens,丹麦诺和诺德公司博士Steffen
Reedtz-Runge,加拿大多伦多大学教授Oliver
Ernst,美国GPCR研究联盟博士Michael
Hanson,郑州大学博士杨琳琳以及华东师范大学教授阳怀宇等。中科院、国家自然科学基金委员会、上海市科学与技术发展基金和上海市教育委员会等部门资助了该项研究。