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【Gene of the Week】免疫研究热门基因之Fcgrt

免疫研究热门基因之Fcgrt

想调整研究方向,获得学术研究突破口?想获得论文选题思路,提高发文命中率?你需要了解学科发展态势和未来走向!赛业生物专栏《Gene of the Week》每周二会根据热点研究领域介绍一个基因,详细为您介绍基因基本信息、研究概况和应用背景等,助您保持学术研究敏锐度,提高科学研究效率,期待您的持续关注哦。今天我们要讲的主角是免疫研究热门基因之Fcgrt。

 

FcRn的结构

在五种类型的免疫球蛋白(IgA、IgD、IgE、IgG和IgM)中,IgG在人体血清中的含量是最多的(约占Ig的75%)。IgG是机体病原体和抗毒素的重要成分,在机体免疫反应中起到了重要作用。此外,IgG是已知的能从母体转移至胎儿,从而使胎儿获得短期被动免疫能力的抗体。而这种IgG的特异性转运是由neonatal Fc receptor(FcRn)所介导。FcRn能保护IgG和白蛋白在细胞内“不被降解”,并将其释放回血液循环中。其中,Fcgrt 基因编码了FcRn蛋白的α重链。

 

与其他的Fc受体不同,FcRn的结构与MHC I类分子类似,是由一条α重链(由Fcgrt基因编码)和一条β2-微球蛋白(β2m)所组成的异源二聚体。FcRn与IgG的结合是通过IgG的Fc端CH2–CH3铰链区所进行的。此外,在不平衡条件(non-equilibrium)下,FcRn与IgG以1:1的比例结合,在平衡条件(equilibrium)下,FcRn与IgG以2:1的比例结合;而白蛋白在其他位点与FcRn以1:1的比例结合。

图1. FcRn与IgG和白蛋白结合的结构示意图[1-2]

图1. FcRn与IgG和白蛋白结合的结构示意图[1-2]

图1. FcRn与IgG和白蛋白结合的结构示意图[1-2]

上图:人IgG1(绿色)通过其Fc端CH2–CH3域与FcRn的α2域(红色)和β2M(蓝色)的N端相结合。人血清白蛋白(紫色)在其他结合域与FcRn结合。下图:平衡条件下,FcRn与IgG以2:1的比例结合;白蛋白在其他位点与FcRn以1:1的比例结合。

 

FcRn的转运保护机制

FcRn在体内许多组织的上皮细胞、内皮细胞及多种免疫细胞(如单核巨噬细胞)中广泛表达。其中,血管内皮细胞是FcRn保护IgG免于被分解代谢的主要部位。在这些地方,FcRn与血液的接触面积很大。当血管内皮细胞大量内吞血清中的蛋白时,FcRn可以有效地拦截IgG并将其返还到血液循环中,从而延长血清中IgG的半衰期。FcRn与IgG的结合是pH依赖性的:它们只在酸性条件(pH6.0-6.5)下结合,在中性(pH7.0-7.5)条件下解离。因此,在酸化的内体(endosome)中,IgG能与FcRn有效结合,并跟随FcRn被转运至细胞膜表面。由于细胞外血液的pH值为微碱性(pH7.35-7.45),IgG与FcRn解离,被“回收”至血液循环中。此外,FcRn对血清白蛋白(serum albumin, SA)的保护机制与IgG相同,也为pH依赖性。且SA在人血清中的半衰期很长,约有20天。

图2. FcRn对IgG的转运保护机制

图2. FcRn对IgG的转运保护机制[3]

 

FcRn在血管内皮细胞和循环中的单核细胞上均有表达。这些细胞通过内吞作用,将血清中的IgG摄入细胞内,IgG与FcRn在酸化的内体中结合。没能与FcRn结合的蛋白会在溶酶体中被降解,而与FcRn结合的IgG则会被释放回血液循环中,从而延长其半衰期。

 

利用FcRn的转运保护机制来延长药物半衰期

很多药物利用FcRn对IgG和SA的保护机制,与IgG的Fc或SA进行融合/偶联来延长其血清半衰期,改善药代动力学。或者更进一步,对Fc和SA进行改造,提高其与FcRn的结合力后,再与药物进行融合/偶联。例如,用于治疗牛皮癣的Amevive (alefacept),治疗类风湿关节炎的Enbrel (etanercept)、治疗免疫性血小板减少症(ITP)的Nplate (romiplostim)等,都通过与hIgG1的Fc进行偶联来达到延长血清半衰期的目的。此外,用于治疗II型糖尿病的药物Tanzeum(albiglutide)、治疗B型血友病的Albutrepenonacog alfa (Idelvion)等,则通过与SA进行偶联来延长药物血清半衰期。

图3. 利用FcRn保护机制的各种融合蛋白示意图

图3. 利用FcRn保护机制的各种融合蛋白示意图[3]

(a)全长IgG1;(b)白蛋白;(c)与Fc进行融合;(d) 与单体Fc融合;(e) 与单体Fc的CH2和CH3融合;(f) 与经改造后与FcRn结合力更强的affibody融合; (g) 与IgG Fc-binding peptide (FcBP)融合。

 

总结

IgG和SA能通过与FcRn的结合(pH依赖性),避免被降解,并被“回收”至循环系统中。研究人员们利用这个机制,对药物进行改造,以延长其血清半衰期。此外,从另一个角度来看,靶向FcRn的抑制剂也可通过去除对IgG的保护作用,来治疗由自身抗体导致的自身免疫性疾病。目前,已有多种FcRn抑制剂正处于临床试验阶段。例如,荷兰生物技术公司Argenx的Efgartigimod已处于治疗广义重症肌无力(gMG)的phase 3阶段;优时比(UCB)公司的Rozanolixizumab也已处于治疗gMG和ITP的phase 3阶段。不久的将来,希望能看到更多有效药物的上市,为患者们带来福音。

 

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Fcgrt全身性敲除小鼠和Fcgrt条件性敲除小鼠

 

FcRn/SA双人源化小鼠

准确预测药代动力学的人源化小鼠

 

FcRn/血清白蛋白(SA)双人源化小鼠-AlbuMusTM模型

 

品系背景:C57BL/6N

 

AlbuMusTM品系说明:

在以前建立的白蛋白人源化模型中,hSA的表达不符合正常的生理水平及表达模式。通过对白蛋白复合物成熟过程及与FcRn表达和调控的模式进行深入分析,建立了SA/FcRn双人源化模型,该模型hSA的生理水平和hFcRn的表达模式符合正常生理水平。

 

人源化SA和人源化FcRn由各自的内源性小鼠启动子驱动,取代了小鼠体内对应的基因表达。

人源化SA和人源化FcRn由各自的内源性小鼠启动子驱动,取代了小鼠体内对应的基因表达

在AlbuMusTM中人白蛋白的表达处于正常生理水平(1.5-6 g/dL),血液化学检测小鼠体内人白蛋白表现正常。

AlbuMusTM小鼠的血液化学实验数据与野生型相似。

AlbuMusTM,双人源化FcRn/白蛋白小鼠模型表现出正常的白蛋白相关药物和生物制剂所需的自体人受体/配体相互作用(它们的半衰期与在非人类灵长类动物中获得的数据相关)。

AlbuMusTM模拟了人体的生理状态,因此在和SA可逆结合蛋白相关药物和常规药物的生物制剂的开发中有着广泛的应用。

双重人源化FcRn/白蛋白小鼠模型是研究白蛋白相关药物PK/PD的独特工具。

 

模型验证:

图1. 人源FcRn的表达符合正常生理水平

图1. 人源FcRn的表达符合正常生理水平

图1. 人源FcRn的表达符合正常生理水平。

A)用qPCR法分析人源SA/FcRn小鼠组织标本中的hFcRn的表达。发现hFcRn在十二指肠(Du)、空肠(Je)、回肠(iLe)、大肠(Li)、肝(H)、肾(K)、肺(Lu)中都有表达。B)人源SA/FcRn小鼠(大图)和野生型小鼠(小图)中hFcRn的免疫组化染色。野生型小鼠对FcRn无交叉反应(小图)。

白蛋白结合药物1:对hFcRn的亲和力低

白蛋白结合药物2:对hFcRn的亲和力高

图2. 在我们的双重人源SA/FcRn小鼠中,与人白蛋白结合的药物的半衰期得以延长。上图)白蛋白结合药物1:对hFcRn的亲和力低;下图)白蛋白结合药物2:对hFcRn的亲和力高。

 

该化合物的半衰期延长是由于提高了Veltis®对人类FcRn的高亲和力

图3. 与野生型小鼠相比,与Veltis®结合的药物(Exenatide)在AlbuMusTM小鼠体内的半衰期延长了一倍;在AlbuMusTM小鼠中,与HB-Veltis®偶联的Exenatide的半衰期比与第一代技术偶联的Exenatide的半衰期延长了一倍(Veltis®NS)。因此,该化合物的半衰期延长是由于提高了Veltis®对人类FcRn的高亲和力。

 

引用文献精选:

Viuff D, Antunes F, Evans L, et al. Generation of a double transgenic humanized neonatal Fc receptor (FcRn)/albumin mouse to study the pharmacokinetics of albumin-linked drugs. Journal of Controlled Release, 2016: 22-30.

 

参考文献:

[1] Baldwin W.M. 3rd, Valujskikh A., Fairchild R.L. The neonatal Fc receptor: Key to homeostasic control of IgG and IgG-related biopharmaceuticals. Am J Transplant. 19(7):1881-1887 (2019).

[2] Sockolosky J.T. and Szoka F.C. The neonatal Fc receptor, FcRn, as a target for drug delivery and therapy. Advanced Drug Delivery Reviews. 91: 109–24 (2015).

[3] Roopenian D.C. and Akilesh S. FcRn: the neonatal Fc receptor comes of age. Nat Rev Immunol. 7(9):715-25 (2007).

 

关于赛业

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