点评丨刘万里（清华大学生命学院、免疫所、生命中心教授）

责编丨酶美

人类适应性免疫细胞（T细胞和B细胞）在病原感染、癌症发生以及自体免疫疾病中起着关键作用。T、B细胞分别通过T细胞受体（TCR）和B细胞受体（BCR）识别抗原信号，把信号跨膜传递至胞内，激活T、B细胞的免疫反应。T、B细胞受体属于一类由多个蛋白组成的最复杂的细胞受体，对T、B细胞的发育、分化、功能起着至关重要的作用。TCR和BCR复合物信号转导，免疫激活的结构基础与分子机制问题一直是免疫学领域的重要基础科学问题。

B细胞是适应性免疫系统的重要组成部分。B细胞活化由抗原与B细胞受体（BCR）的结合来启动，并导致B细胞的增殖和分化，最终产生可以分泌抗体的浆细胞，或产生针对潜在病原体的记忆细胞。

BCR由膜结合的免疫球蛋白（mIg）和Igα/Igβ异二聚体组成。mIg可以是五种不同的免疫球蛋白同种型之一，即IgM、IgD、IgG、IgA和IgE。mIg负责与抗原结合，但mIg本身不包含任何信号转导序列，因此需要Igα/Igβ参与信号传递。抗原结合以后，BCR在细胞膜表面聚集，Igα和Igβ的胞内域的免疫受体酪氨酸的激活基序（ITAM） 被Lyn激酶磷酸化，激活下游信号通路。

除了参与B细胞增殖分化这一重要的免疫过程以外，BCR还是B细胞淋巴瘤的药物靶点。例如，Polatuzumab vedotin是一种抗体偶联药物 (Antibody Drug Conjugate)，将单克隆抗体和抑制有丝分裂的细胞毒剂进行偶联，该抗体偶联药物可以结合BCR中的Igβ组分，对B细胞淋巴瘤细胞精准杀伤，已经被批准治疗弥漫大B细胞淋巴瘤。

B细胞受体的组分由德国马普所的Michael Reth实验室于1990年鉴定发表（Nature ，1990）。在之后的三十多年中，人们对BCR胞外区如何识别各种抗原并激活B细胞信号通路进行了深入的研究，但作为BCR复合物如何进行组装的分子机制仍然未知。除此之外，BCR的结构信息对于理解B细胞活化以及针对该复合物进行抗体药物的开发具有很高的潜在价值。

2022年8月19日，Science在线发表了背靠背研究论文解析了B细胞受体复合体结构，分别是来自哈工大黄志伟教授团队：Cryo-EM structures of two human B cell receptor isotypes和西湖大学施一公/宿强团队：Cryo-EM structure of the human IgM B cell receptor。

黄志伟团队解析了IgG和IgM-BCR复合物，揭示了BCR复合物亚基的组装、识别机制，以及发现不同亚型BCR在胞外具有不同组装模式。施一公团队报道了人源IgM同种型B细胞受体（IgM-BCR）3.3埃的高分辨率电镜结构，揭示了IgM-BCR的组装机制，探讨了抗体或微型蛋白质潜在的结合位点，为以IgM-BCR为靶点的药物设计提供了重要结构基础。同时，哈佛大学吴皓教授团队于日前在预印本上公布了IgM-BCR结构解析的论文。

人类B细胞受体有五种同种型，黄志伟团队解析了人IgG和IgM两种同种型的BCR复合物结构，BCR复合物结构包含了一个膜结合形式的免疫球蛋白（mIg）同源二聚体，用于识别抗原，以及一个膜结合形式的Igα/β（CD79α/CD79β）异二聚体，用于信号传递（化学计量比为 1:1）。其中，mIg二聚体包含了Fab和Fc结构域、连接肽（CPs）和跨膜（TM）螺旋，Igα/β结构由两个胞外Ig样结构域、CPs和TM螺旋组成。IgG和IgM-BCR复合物的组装分别由胞外的IgG-Cγ3和IgM-Cμ4与Igα/β的Ig样结构域，以及连接肽、跨膜螺旋承担。黄志伟团队通过两个亚型的结构比较发现，mIgG和mIgM的跨膜螺旋区通过保守的疏水和极性作用与Igα/β 结合。相比之下，在胞外区域，IgG-Cγ3和IgM-Cμ4分别通过“首尾相连”（head-to-tail）以及“肩并肩”（side-by-side）的模式与Igα/β的Ig样结构域结合，其中，Igα的CD loop 旋转了90度，分别与Cγ3和Cμ4结构域结合。结构上观察的不同亚型组装模式是否和活性有关值得进一步研究。

IgG和IgM-BCR结构图

sIgM通常形成五聚体，但在膜结合的静息态BCR上只观察到IgM的单体状态。结构分析显示Igα的Ig样结构域和膜结合的IgM-Cμ4完全重合，从而解释了膜结合的静息态IgM-BCR为什么处于单体状态。BCR的激活通常伴随着BCR多聚体的形成，静息状态下，由于Igα/β的Ig样结构域与Cμ4或Cγ3结合，在空间上阻断了mIg寡聚化，而当抗原结合后可能会对Fab结构域施加机械力，以触发mIg_Fc的结构变化，从而释放被Igα/β占据的Cγ3或Cμ4的寡聚体界面，导致BCR分子形成寡聚体启动下游信号转导，其潜在机制还有待进一步研究。电子密度分析分别在IgG和IgM-BCR上清晰地鉴定出6个和14个糖基化位点。

施一公教授研究组报道了人源IgM同种型B细胞受体（IgM-BCR）的电镜结构，通过结构分析，揭示了膜结合的IgM（mIgM）与Igα和Igβ异源二聚体复合物组装的分子机制，从而回答了B细胞受体如何组装的科学问题，同时也为基于B细胞受体的免疫疗法提供了关键的结构基础。他们首先将IgM-BCR的四个组分的cDNA进行密码子优化并克隆到表达载体上，接着通过共表达内质网潴留蛋白pERp1促进IgM二硫键的形成，帮助IgM-BCR正确折叠。之后，在蛋白纯化时加入抗体偶联药物Polatuzumab vedotin的Fab片段，最后通过冷冻电镜解析了第一个人源IgM同种型B细胞受体复合物3.3 埃的高分辨率结构（图）。该IgM-BCR复合物结构包含胞外结构域以及所有跨膜区域, 包含一个mIgM和一个Igα/Igβ异源二聚体复合物。除此之外，在Igβ的上方，观察到了Fab片段的电子密度，证实了Polatuzumab结合在Igβ氨基末端的柔性区域。

图 IgM-BCR复合物的整体结构图

IgM-BCR包含两条mIgM的重链、两条轻链和两条膜锚定信号转导亚基 Igα 和 Igβ。重链的胞外域与 Igα/Igβ 异二聚体的胞外域紧密堆叠。在近膜区域，两条重链中的一条通过连接肽（linker）穿过由 Igα/Igβ 异二聚体包围的中空结构。mIgM和Igα/Igβ的跨膜螺旋（TM）形成一个四螺旋束，通过跨膜螺旋之间的氢键来稳定。这样的结构特征强烈暗示了mIgM和Igα/Igβ异源二聚体在细胞内通过共折叠的方式形成复合物。施一公团队通过体外pull-down和体内免疫共沉淀（co-IP）实验，验证了IgM-BCR的组分通过共折叠的方式在细胞内形成复合物的猜想，同时揭示了TM和linker在复合物组装中的重要作用。最后，施一公团队对五种mIg同种型的氨基酸序列进行分析，发现这些氨基酸在TM结构域非常保守，而胞外域差异较大，暗示了五种BCR同种型在TM结构域用相似的方式进行组装，而胞外域则用不同的方式组装。

除此之外，施一公团队的IgM-BCR结构还揭示了胞外域上的 14 个糖基化位点，在胞外域的表面，发现了三个没有任何糖基化位点的表位。抗体一般特异性地结合在没有糖基化的区域，根据这三个区域的结构，可能有助于理性设计特异性结合在这三个表位的抗体或微型蛋白质（图）。和已经批准的抗体偶联药物Polatuzumab vedotin一样，这些特异性结合IgM-BCR的抗体或微型蛋白质，具有治疗B细胞淋巴瘤的潜力。

图 IgM-BCR糖基化位点分布图

在同期Science发表评论文章： Unveiling the B cell receptor structure - Molecular structures provide a road map for understanding and controlling B cell receptor activation”，对两项研究成果进行介绍。来自相关同行的评价也认为：“结构分辨率都达到了可以做相互作用分析的水平，对理解B 细胞 识别抗原很有帮助。” 2019年，黄志伟/高宁合作团队揭示了人T细胞受体-共受体复合物TCR-CD3组装的分子机制（BioArt：里程碑！专家点评Nature | 黄志伟/高宁合作团队首次揭示人T细胞受体-共受体复合物组装的分子机制）；2020年，来自哈佛大学的科学家解析preTCR-pMHC复合物结构（BioArt报道：Science｜李小龙博士等解析preTCR-pΜΗC复合物结构——T细胞发育过程“TCR-β选择”研究新进展），破解了T细胞成熟过程中TCR-β选择的问题。2022年，黄志伟团队通过进一步解析高分辨率的TCR复合物结构，发现TCR跨膜区域存在“胆固醇结合通道”，胆固醇分子结合于该通道抑制TCR激活，去除胆固醇分子引起TCR组成型激活，揭示了TCR激活的结构基础，从而提出TCR的“胆固醇-门栓”控制理论，为理性设计靶向TCR调控T细胞活性的免疫疗法提供理论依据（BioArt：Molecular Cell | 黄志伟课题组揭示胆固醇抑制T细胞受体活性的分子机制 ）。

哈尔滨工业大学生命学院/生命科学中心黄志伟教授为论文的通讯作者。生命学院2021级博士研究生马新宇、朱玉威副研究员、董德博士、陈彦博士为该论文的并列第一作者。生命学院2021级博士研究生王书博、张帆研究员、郭长友博士等参与该研究的部分工作。

西湖大学生命科学学院施一公教授及其团队博士后宿强为本文的共同通讯作者。西湖大学生命科学学院博士后宿强、清华大学生命科学学院博士生陈梦莹以及西湖大学访问学生、郑州大学博士生史嫣为本文的共同第一作者。西湖大学生命科学学院助理研究员张晓峰、博士后黄高兴宇、博士生黄邦栋，郑州大学刘章锁教授、刘东伟教授，参与了本研究的部分工作。电镜数据采集于西湖大学冷冻电镜平台，计算工作得到西湖大学高性能计算平台的支持。

原文链接：

1. http://doi.org/10.1126/science.abo3828

2. http://doi.org/10.1126/science.abo3923

3. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.08.13.503858v1

4.https://www.science.org/doi/10.1126/science.add8065

专家点评

刘万里（清华大学生命学院、免疫所、生命中心，长聘教授，BCR领域研究专家）

两千五百年前古希腊的修昔底德（希腊文Θουκυδίδης、英文Thucydides），曾经这样记录发生在公元前430年的雅典城的一场瘟疫：“染病而垂死的病人，只能被那些已经曾经染病但是侥幸康复的人给予照顾。这些康复者虽然每天照料染病者，但是他们对此并不担心，因为他们了解这次瘟疫的疾病特征和进程。的确，他们很清楚，在这次瘟疫的袭击中，幸存者将不会被瘟疫第二次感染，至少不会被第二次攻击而丧命”。经过两千年的漫长求索，现代免疫学研究已经较为系统深入地解析其中的生物学原理。病原体感染机体后，初始型B淋巴细胞识别抗原产生抗体抵御病原体，康复者将获得由记忆性B淋巴细胞承载的抗体记忆，从而能快速识别该病原体并能更有效的抵御该病原体的再次感染。应用此免疫学原理，人类已经彻底清除天花病毒，接近根除脊髓灰质炎病毒（中国已经完成对此病毒和疾病的根除），并且对其他一些类似的严重危害人类健康乃至生命的恶性疾病，比如麻疹、风疹、白喉、病毒性脑炎，甚至HPV引起的宫颈癌等，也给予了非常有效的控制。

B淋巴细胞通过其质膜表面的B细胞抗原受体（B cell receptor，简称为BCR）特异性识别入侵病原体，启动细胞活化和增殖，进而产生抗体，抵御异己，并形成记忆性免疫力。因此BCR介导的抗原特异性B细胞的免疫识别和免疫活化长期以来都是免疫学研究中的热点和难点之一，具有重要的科学意义和经济、社会价值。在此领域的既往相关研究多次被授予诺奖，例如1901年埃米尔·阿道夫·冯·贝林（Emil Adolf von Behring）发明的血清疗法（基于B细胞产生并释放到血清中的毒素特异性抗体的异体输入策略）在治疗白喉中的应用；1908年保罗·埃尔利希（Paul Ehrlich）提出的B细胞产生抗体的侧链学说；1960年弗兰克·麦克法兰·伯内特爵士（Sir Frank Macfarlane Burnet）和彼得·梅达瓦（Peter Brian Medawar）提出的克隆选择学说和获得性免疫耐受学说；1972年杰拉尔德·埃德尔曼（Gerald M. Edelman）和罗德尼·罗伯特·波特（Rodney R. Porter）解析的可溶性抗体（血清中的抗体）的分子结构；1984年乔治斯·克勒（Georges J.F. Köhler）和色萨·米尔斯坦（César Milstein）发明的单克隆抗体制备技术；以及1987年利根川进（Susumu Tonegawa，一人独得该项诺奖）发现的抗体多样性产生的遗传机制等。

BCR复合物由膜联免疫球蛋白（Membrane-bound immunoglobulin, mIg）和包含免疫受体酪氨酸活化基序（Immunoreceptor tyrosine-based activation motif，ITAM）的Igα/Igβ异二聚体组成。BCR的mIg（或Ig）是由两条重链（Heavy chain, H链）及两条轻链（Light chain, L链）以二硫键共价结合的一种四肽链结构，其中mIg与Igα/Igβ的化学计量比为1:1，两者之间以二硫键共价相连接。在BCR复合物中，mIg负责识别抗原，而Igα/Igβ负责将抗原信号传递至B细胞内以开启下游信号通路的活化。非膜联形式的免疫球蛋白（Immunoglobulin, Ig）则在体液中以分泌型Ig（即抗体）形式存在。初始型B细胞在其细胞质膜表面表达IgM亚型的BCR（IgM-BCR），记忆性B细胞则主要表达IgG型的BCR（IgG-BCR）。虽然抗体分子的结构已经被解析，但是完整B细胞抗原受体复合物的高分辨率的结构一直是领域中的研究难点和热点，几十年以来一直没有突破；在一定程度上，这个问题是B细胞免疫学研究领域的最后的圣杯。

8月18日，Science 期刊‘背靠背’在线发表了西湖大学施一公教授和哈尔滨工业大学黄志伟教授的论文，在接近原子分辨率下揭示人类IgM-BCR和IgG1-BCR复合体的结构。论文中，为获取BCR高分辨率结构信息，两个课题组成功搭建BCR重组表达和纯化系统，并利用冷冻电镜单颗粒技术对几百万个单一BCR颗粒进行成像解析，最终成功重构出原子级分辨率的视图。在IgM-BCR结构中，两个课题组结果相互印证，并证实了之前只依靠生化结果推测的结构细节，即：膜联抗体本身与分泌型抗体一致，均保持Y字形，其中膜联抗体的Fab区具有高度的动态性，而膜联抗体Fc区以1:1的化学计量比结合Igα/Igβ异源二聚体。同时，二者之间的装配主要依赖跨膜螺旋间多个极性残基的相互作用，而这些膜内的相互作用在不同物种和不同抗体类别中是高度保守的，这也进一步印证了先前该区域对BCR的组装和功能至关重要这一结论。有趣的是，mIg分子末端CH区域与穿膜区之间的linker序列能够形成环状结构深入质膜中，进一步稳定mIg分子和Igα-Igβ跨膜螺旋间的相互作用，使得后者紧密的束缚在一起。从直观上讲，该种特性能够保证IgM-BCR装配的严谨性和正确性，同时也维持了IgM-BCR在细胞质膜不同区块之间进行“跳跃式”布朗运动过程中的结构稳定性。

哈尔滨工业大学黄志伟教授还解析了人类IgG1-BCR的结构，与IgM-BCR相比，IgG1-BCR的mIg分子与Igα-Igβ二聚体空间距离更远，这种特质一方面印证了领域中基于生化实验的发现：相比较IgM-BCR，IgG-BCR的mIg分子与Igα-Igβ二聚体结合较为松散，更容易出现独立存在于质膜的mIg分子；另一方面也可能为后期IgM-BCR和IgG-BCR信号转导机制上的差异提供了结构学的基础。例如，该结构特征能够很好解释笔者实验室前期基于分子成像发现的IgG-BCR相对于IgM-BCR结合抗原刺激后胞外构象变化更为明显这一现象。此外，上述差别也进一步提示IgG-BCR和IgM-BCR胞外区的结构学差异可能被作为基础，用于进一步解答在接收抗原刺激过程时，人类记忆性B细胞主要选择使用IgG-BCR而不是IgM-BCR的生物学原理。

笔者认为，抗体免疫力建立的核心事件是当B细胞通过BCR探测抗原的理化特性时，呈递抗原的基质通过细胞质膜和细胞骨架支撑的微张力传导给BCR，引发BCR的蛋白结构构象改变，进而触发跨膜信号转导。一般认为，IgM-BCR的Fab区域与可溶性的抗体分子相比具有更强的刚性。而该结论在论文中得到了很好的印证，即：Igα与mIg分子的相互作用能够改变Cμ3区域在Fc区中所处的空间位置，这进而限制了铰链区与Cμ2区的角度。而该结构特征似乎也暗示Fab区的自由度和空间位置与Igα/Igβ异源二聚体有一定的联系。但抗原结合是否能够诱导BCR胞外区构象变化进而完成刺激信号由重链区逐级转导到胞内启动下游信号还需要对活化状态的BCR进行结构学更深入的研究。

毫无疑问，这两项重要成果对后续B细胞如何通过抗原受体BCR来区分自我和非我抗原，进而平衡免疫防护和免疫损伤的相关研究，都将起到重要推动作用。此外，该研究的发现和应用将有助于新型疫苗的设计和开发；为BCR相关自身免疫性疾病和肿瘤抗原的靶向药物的设计提供重要的理论依据；也为病原体的免疫预防研究和应用也提供了新的研究工具和研究思路。

制版人：十一

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