Sci Adv | 肖俊宇和高宁团队联合发表多聚抗体设计策略|igm|抗体|细胞|聚体|肖俊宇|高宁

抗体是人体免疫防御系统中的关键分子。 2025 年 1 1 月，北京大学肖俊宇教授与高宁教授研究团队联合在 Science Advances 上发表了一项题为

Xenopus

IgX

informs engineering strategies of IgM and IgG hexamers

的研究。本研究在追溯抗体分子演化的过程时，从非洲爪IgX抗体得到了启发了一种适用于构建人源IgMIgG六聚体的策略，相关大分子药物的设计提供了新思路。

IgM 抗体在演化上最为古老，广泛存在于有颌脊椎动物中。在哺乳动物中， IgM 通过其重链末端 18 个氨基酸组成的 “ 尾片（ tailpiece, tp ） ” 区域与 J 链结合，组装成稳定的五聚体【1】。这一组装形式不仅维持了 IgM 五聚体的稳定性，还使得 J 链以独特的方式参与和 IgM 受体及结合蛋白的相互作用，从而调节 IgM 的功能【1–4】。在缺乏 J 链的情况下， IgM 可形成部分六聚体及四聚体、五聚体等聚合形式。除了能以多价态的方式结合并中和病原， IgM 还能高效激活补体系统，协同清除病原和异常细胞【5, 6】。值得注意的是，天然 IgM 六聚体的含量虽然很低，但由于在结构上与 C1q 的六聚体结构更为匹配，因此比 IgM 五聚体具有更强的补体激活能力【7–10】。

图 1. IgX -F c 六聚体的冷冻电镜结构。

非洲爪蟾中的 IgX 抗体是抗体演化的一个独特分支。本研究首先发现， IgX 可不依赖 J 链而自主组装成稳定的六聚体（图1A）。与 IgM 不同， IgX 的 tp 区域（ χtp ）仅包含 11 个氨基酸（图1B）；去除这一区域会破坏 IgX 形成六聚体的能力，说明 χtp 对于 IgX 六聚体的形成至关重要。通过冷冻电镜技术，本研究解析了 IgX -Fc 六聚体的结构。在采用 C1 对称性计算获得的冷冻电镜密度图中， χtp 区域的分辨率较低；而在采用 C6 对称性扩展的方法对复合物颗粒进行处理后， χtp 区域的 β- 折叠构象特征得以显现。

为了进一步探究 χtp 介导六聚体形成的能力，本研究接下来将人源 IgM 的 tp （ μtp ）替换为 IgX 的 χtp 。结果显示，获得的嵌合体（ Fcμ-χtp ）在没有 J 链的情况下，也能高效组装成均一的六聚体。据此结果，推测 tp 的长度可能是调控六聚体形成的关键。随后，将人源 IgM 的 μtp 逐步截短，发现 μtp 的长度在 11 ~ 16 个氨基酸之间均可以实现均一的六聚体组装（图2A-B）。从分子机制的角度，少于 11 个氨基酸的 μtp 会损害 β- 折叠的完整性，从而破坏 IgM 六聚体的稳定性；而超过 16 个氨基酸的 μtp 则会因空间位阻效应阻碍六聚体形成。具体而言，倒数第二位的 Cys575 与末端 Tyr576 参与 IgM-Fc 与 J 链的相互作用，更加有利于 IgM-J 五聚体的组装，但会影响六聚体的形成。

图 2. 改造后 IgM -Fc 和 IgG -Fc 六聚体的冷冻电镜结构。

值得一提的是，将来自 IgM 的截短的 μtp （ μtp 11 ）引入人源 IgG ，也能构建出稳定的 IgG 六聚体（图2C）。在功能验证中，本研究设计了靶向 CD20 的 IgM 与 IgG 六聚体，并在 OCI-Ly10 、 Daudi 、 Raji 等多种 B 淋巴瘤细胞中测试其杀伤效果。结果显示，这些工程化的六聚体抗体在细胞层面展示显著增强的补体依赖性细胞毒性（ complement-dependent cytotoxicity, CDC ）（图3A）。此外，改造后的 IgG-Fc 六聚体还可以作为 “ 分子诱饵 ” ，在细胞层面抑制过度激活的补体反应（图3B）。

图 3. 改造后抗体的功能表征。

总结来说，这项研究从分子演化的角度揭示了一种天然六聚抗体的构造原理，并据此发展出一种通用策略，通过嵌合χtp或截短的μtp序列，高效诱导IgM或IgG六聚体的形成。工程化的 IgM-Fc 六聚体也有望作为分子骨架，展示其他具有生物活性的蛋白，从而拓展其应用潜力。本工作深化了我们对多聚免疫球蛋白演化的认识，也为开发新型生物制剂提供了一项平台技术。

北京大学生命科学学院 /BIOPIC 博士后张瑞雪（北京大学 CLS 项目博士毕业）和已出站博士后纪成功为该论文的共同第一作者。肖俊宇教授（北大 - 清华生命科学联合中心、基因功能研究与操控全国重点实验室、北京大学生命科学学院 /BIOPIC 、昌平实验室）和高宁教授（北大 - 清华生命科学联合中心、膜生物学全国重点实验室、北京大学生命科学学院、昌平实验室）、以及纪成功博士为该论文的共同通讯作者。北京大学生命科学学院博士研究生李姝涵和李宁宁研究员为该工作做出了重要贡献。

https://doi.org/10.1126/sciadv.aea3737

制版人：十一

参考文献

1. Y. Li, G. Wang, N. Li, Y. Wang, Q. Zhu, H. Chu, W. Wu, Y. Tan, F. Yu, X. D. Su, N. Gao, J. Xiao, Structural insights into immunoglobulin M.Science367 , 1014-1017 (2020).

2. Y. Li, H. Shen, R. Zhang, C. Ji, Y. Wang, C. Su, J. Xiao, Immunoglobulin M perception by FcmuR.Nature615 , 907-912 (2023).

3. N. Oskam, M. A. den Boer, M. V. Lukassen, P. Ooijevaar-de Heer, T. S. Veth, G. van Mierlo, S.-H. Lai, N. I. Derksen, V. Yin, M. Streutker, CD5L is a canonical component of circulatory IgM.Proceedings of the National Academy of Sciences120 , e2311265120 (2023).

4. Y. Wang, C. Su, C. Ji, J. Xiao, CD5L associates with IgM via the J chain.Nat Commun15 , 8397 (2024).

5. E. S. Reis, D. C. Mastellos, G. Hajishengallis, J. D. Lambris, New insights into the immune functions of complement.Nat Rev Immunol19 , 503-516 (2019).

6. D. Ricklin, G. Hajishengallis, K. Yang, J. D. Lambris, Complement: a key system for immune surveillance and homeostasis.Nat Immunol11 , 785-797 (2010).

7. J. K. Wright, J. Tschopp, J. C. Jaton, J. Engel, Dimeric, trimeric and tetrameric complexes of immunoglobulin G fix complement.Biochem J187 , 775-780 (1980).

8. C. A. Diebolder, F. J. Beurskens, R. N. de Jong, R. I. Koning, K. Strumane, M. A. Lindorfer, M. Voorhorst, D. Ugurlar, S. Rosati, A. J. Heck, J. G. van de Winkel, I. A. Wilson, A. J. Koster, R. P. Taylor, E. O. Saphire, D. R. Burton, J. Schuurman, P. Gros, P. W. Parren, Complement is activated by IgG hexamers assembled at the cell surface.Science343 , 1260-1263 (2014).

9. D. Ugurlar, S. C. Howes, B. J. de Kreuk, R. I. Koning, R. N. de Jong, F. J. Beurskens, J. Schuurman, A. J. Koster, T. H. Sharp, P. Parren, P. Gros, Structures of C1-IgG1 provide insights into how danger pattern recognition activates complement.Science359 , 794-797 (2018).

10. L. Abendstein, D. J. Dijkstra, R. T. N. Tjokrodirijo, P. A. van Veelen, L. A. Trouw, P. J. Hensbergen, T. H. Sharp, Complement is activated by elevated IgG3 hexameric platforms and deposits C4b onto distinct antibody domains.Nat Commun14 , 4027 (2023).

（可上下滑动阅览）

学术合作组织

（*排名不分先后）