新生儿Fc 受体介导IgG 转运的研究进展

郭锦玥，李安琪，羊露露，温 峰，黄淑坚

（佛山科学技术学院 生命科学与工程学院，广东 佛山 528225）

抗体是体液免疫的主要组成部分，是一类能与抗原特异性结合的免疫球蛋白，而免疫球蛋白主要包括IgA、IgD、IgE、IgG 和IgM 这5 类。相较于其他4 类免疫球蛋白，IgG 在血清中具有较长的半衰期。同时IgG 还被认为能够通过胎盘屏障或初乳的形式将母源IgG 转运给胎儿或新生儿，并给予后代短期的被动免疫保护作用。目前研究表明，新生儿Fc 受体（neonatal Fc receptor,FcRn）是维持血液中IgG 较长半衰期以及胎儿或新生儿获得母源IgG 的重要跨膜转运受体［1-3］。另外，FcRn 还能介导特异性IgG 胞转到黏膜表面，在腔道内形成抗原-抗体复合物后，再由FcRn 将抗原-抗体复合物转运到黏膜固有层，被抗原递呈细胞（APC）摄取并加工后，再递呈给T 细胞，引起机体的适应性免疫应答。因此，FcRn 在黏膜免疫中起到重要作用［4-5］。

1 FcRn 的分子结构及表达分布

FcRn 属于I 型跨膜蛋白，由重链（α 链）与轻链（β2微球蛋白，β2m）组成。FcRn 的α 链与MHC-I 类分子的α 链结构相似，都具有3 个胞外结构域（α1、α2、α3）、1 个跨膜区和1 个胞浆尾区，分子量大约在40～50 kDa 之间。FcRn 与MHC-I 类分子主要的区别在于MHC-I 类分子的重链α1 和α2 区之间形成肽结合凹槽，而这个区域在FcRn 分子中是闭锁的，并被氨基酸侧链遮蔽，从而使FcRn 不能结合并递呈抗原肽［6］。而FcRn 的轻链与MHC-I 类分子轻链相同均为β2m，其大小约14 kDa。重链与轻链需形成异源二聚体才能使FcRn 发挥其功能，如图1 所示。

图1 猪FcRn 结构模式图

FcRn 最初是在新生啮齿动物的肠道中分离到的，断奶之后，肠道中FcRn 的表达量逐渐降低［2，7］。随着研究不断深入，发现不光在新生儿体内具有FcRn 的表达，在成年哺乳动物的呼吸道、消化道和生殖道的黏膜上皮细胞及肺脏、肝脏、肾脏、胎盘及乳腺等组织［8-11］，甚至在单核细胞、巨噬细胞及树突状细胞（DC）等一些免疫细胞上也有FcRn 的表达［12］。

2 FcRn 与IgG 的相互作用

FcRn 晶体结构分析显示，FcRn 主要与IgG Fc 片段CH2-CH3 之间的铰链区结合，结合比率为2:1，即2 分子的FcRn 与1 分子的IgG 相互结合［13］。在IgG Fc 片段上的Ile253、His310 及His435 这三个氨基酸残基是FcRn 与IgG 相互结合的关键位点。根据它们的pKa 值，这两个组氨酸残基在pH 6.0 时质子化，能与FcRn 上的Glu115 和Asp130 相互作用。当pH 逐渐从6.0 上升至7.0 时，组氨酸质子化逐渐消失［14-16］。这也解释了FcRn 介导IgG 的转运是pH 依赖的，即在酸性条件下pH＜6.5，FcRn 与IgG 结合，在中性偏碱性条件下pH＞7.0，FcRn 不与IgG 结合。除了FcRn 的重链与IgG Fc 片段相互作用外，β2m 轻链上Ile1 位点也与IgG 相互作用［17］。

近几年的研究发现，Fc 片段相同但Fab 片段不同的抗体对FcRn 显示出不同的亲和力及半衰期，分析可能是在生理pH 条件下，Fab 区的电荷分布及IgG 本身的等电点会影响与FcRn 的解离，导致IgG从FcRn 解离速率降低，使机体内IgG 清除速度加快。运用氢氘交换法研究也证明了不仅仅IgG Fc 区域，而且Fab 区域也参与FcRn 的结合，但其作用机制目前尚不清楚［18-20］。

3 FcRn 的功能作用

3.1 FcRn 在胎盘上的作用

人类及灵长类动物主要通过胎盘将母源IgG 转运给胎儿，使胎儿获得天然被动免疫。研究发现FcRn 表达在合胞体滋养层，合胞体滋养层细胞将母源血液中的IgG 胞吞进入胞内体；胞内体逐步酸化，使FcRn 与IgG 结合；接着胞内体在合胞体滋养层胎儿这面与细胞膜融合，在生理pH 值条件下，IgG 从FcRn 上解离，使胎儿获得母源IgG；最后，FcRn 通过滋养层细胞返回母体这面，进行下一个胞吞转运过程［21-22］。

3.2 FcRn 在乳腺上的作用

由于大多数哺乳动物的乳汁中含有大量的IgG，于是研究发现在它们的乳腺组织中均有FcRn 的表达［8，23］。乳腺上皮细胞基底侧胞吞组织间隙液中母源IgG 进入胞内体，在酸性胞内体环境中与FcRn相互结合，最后释放到腺泡腔中。这与在肠道中将母源IgG 从细胞基顶侧转运到基底侧的方向相反。Lu等［24］运用转基因技术将牛FcRn 基因在哺乳期小鼠的乳腺中超表达，结果发现在转基因小鼠的母乳中，IgG 的含量明显升高，说明FcRn 在介导母源IgG 分泌到初乳或常乳中起到关键作用。

3.3 FcRn 在肠道上的作用

新生反刍动物及啮齿动物主要通过初乳和常乳获取母源IgG。新生儿摄入含有母源IgG 的初乳或常乳后，经胃微酸环境后，到达十二指肠。在十二指肠部位，母乳中的IgG 与小肠上皮细胞基顶膜表面的FcRn 结合，并通过胞转作用转运到细胞基底侧面，在生理pH 值条件下，释放IgG 进入血液循环，使新生儿获得天然被动免疫［7，25］。然而，研究发现，在成年哺乳动物的肠道上皮细胞上也有FcRn 的表达，并能介导特异性IgG 双向胞转作用穿过紧密连接的上皮细胞屏障，即FcRn 可以介导特异性IgG 胞转到肠腔中抵御病原的入侵，也可以将肠腔中形成的抗原-抗体复合物胞转到黏膜固有层，被APC 摄取并加工后，再递呈给T 细胞，引起黏膜免疫应答，进而诱导全身免疫应答［4，26］。

3.4 FcRn 在血管内皮细胞上的作用

IgG 在血液中具有较长的半衰期，研究表明，血管内皮细胞表达FcRn 对维持血液中IgG 半衰期的稳定起重要作用［27］。血管内皮细胞胞吞血液中的大分子物质进入酸性胞内体，在酸性胞内体中FcRn 和IgG 结合，避免IgG 被递呈到溶酶体降解掉，然后胞内体再与细胞膜融合，将IgG 释放到血液中［28-29］。已有研究表明，FcRn 基因缺失型小鼠一般会出现低丙球蛋白血症和低白蛋白血症，并伴有IgG 半衰期变短及血液中IgG 含量降低等现象［30］。

3.5 FcRn 在肾脏上的作用

肾脏过滤血浆并代谢可溶性废物。肾脏肾小球滤过膜具有选择性滤过屏障作用，由最内层肾小球毛细血管的内皮细胞层、非细胞结构的基膜层及最外层肾小囊上皮细胞层组成。在肾小囊上皮细胞层，其细胞表面有足状突起，称为足细胞。血液经过肾小球滤过膜滤过的液体称为原尿，其中不含有血细胞和70 kDa 以上的大分子蛋白质。因此，血液中大量的白蛋白及IgG 被机体回收了。原尿生成后进入肾小管，在近曲小管（PCT）将原尿中大部分葡萄糖、氨基酸和水重吸收到血液中，从而开始尿液的浓缩和处理。

有研究表明，足细胞及PCT 上皮细胞均表达FcRn［31］，推测可能在肾脏滤过过程中，沉积在足细胞附近少量的IgG 被FcRn 转运到细胞基底侧面，随原尿到达PCT 处，PCT 上皮细胞的FcRn 可介导IgG胞转回机体的体循环［32］。有研究表明，在FcRn 基因缺失型小鼠，导致IgG 不能被转运，而是在足细胞附近沉积，堵塞肾脏过滤器，随后引起血清诱导的肾炎在链球菌感染引起的肾小球肾炎及系统性红斑狼疮均是由于大量的IgG 沉积在足细胞附近，FcRn 介导IgG 转运达到饱和状态，使IgG 不断积累，引起肾损伤。

3.6 FcRn 在肺脏上的作用

在一些哺乳动物中，肺脏是FcRn 表达的主要部位。然而，不同物种FcRn 表达位点存在差异。在灵长类动物中，FcRn 主要表达于上呼吸道上皮细胞；在大鼠和奶牛中，FcRn 主要表达在细支气管和肺泡上皮细胞［33-36］；在小鼠中，只在肺泡上皮细胞中检测到非常低水平的FcRn 表达量，而在上呼吸道并没有检测到［12］。

目前有研究发现，将Fc 融合蛋白递呈到灵长类动物的上呼吸道，通过FcRn 依赖途径，使这些融合蛋白进入体循环［37-39］。然而，与上呼吸道上皮细胞相比，肺泡上皮细胞的表面积较大，也可以通过FcRn介导IgG 胞转作用，使IgG 进入体循环［36］。因此，肺泡上皮细胞的这种作用不容忽视。目前根据FcRn 在肺组织上的作用，真核表达红细胞生成素（EPO）与IgG Fc 片段的融合蛋白（Fc-EPO），以灵长类动物为动物模型，发现构建的Fc-EPO 融合蛋白能跨上呼吸道上皮细胞屏障进入血液。一期临床实验表明，在人体内这种Fc-EPO 融合蛋白也可以有效地被转运到正常人的血液里［40］。

3.7 FcRn 在血脑屏障上的作用

血脑屏障是中枢神经系统和血液循环系统之间的屏障，限制了大分子物质进入中枢神经系统，使其成为免疫特权部位。研究表明，在脑微血管内皮细胞和脉络丛上皮细胞均表达FcRn，并被认为可以介导IgG 从脑转运到血液中［41-43］。在阿尔茨海默病的小鼠模型中，FcRn 在血脑屏障中的作用是参与淀粉样蛋白β 肽特异性IgG 免疫复合物的清除［44］。在大鼠颅内注射IgG 后发现，与FcRn 无亲和力的IgG相比，与FcRn 有亲和力的IgG 能更快地从大脑中清除［41］。然而，也有研究表明，FcRn 清除脑中IgG 的作用具有极大的局限性。对于FcRn 在血脑屏障及脉络丛上皮细胞中的作用还需要进一步研究。

3.8 FcRn 在骨髓源细胞上的作用

有研究表明，FcRn 也大量表达在成年动物骨髓分化的细胞上，比如单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和DC 细胞上均有FcRn 的表达，然而FcRn 在这些细胞上的功能仍需进一步研究［12，45-46］。由于FcRn主要表达在抗原递呈细胞（APC）上，推测它可能在IgG 介导的免疫应答中发挥作用。对FcRn 缺失型（FcRn-/-）小鼠的免疫表型分析显示，与野生型小鼠相比，FcRn-/-小鼠黏膜CD8+T 和NK 细胞以及脾脏CD8+T 细胞含量均有轻微的下降［47-49］。再次刺激机体时，FcRn-/-小鼠肠道固有层的CD8+T 细胞分泌的IFN-γ，IL-10 和TNF 比野生型小鼠分泌的低［48］。

表达FcRn 的骨髓源细胞在延长循环中IgG 的半衰期起到一定的作用［12］。胞饮作用是FcRn 介导IgG 结合防止被降解掉的首要条件。巨噬细胞在体内大量存在，同时也是体内高度胞饮细胞，因此Challa 等［50］研究发现，巨噬细胞上缺失FcRn 功能的小鼠与野生型小鼠相比，会导致IgG 的高度降解，使血液中IgG 水平降低三倍，而对于在B 细胞和DC 细胞上缺失FcRn 功能的小鼠则影响不大。目前，也有研究表明，在适应性免疫中，人和小鼠DC 上的FcRn 能起到增强DC 摄取和递呈抗原抗体复合物的作用。

4 FcRn 研究进展及应用前景

4.1 FcRn 研究进展

猪传染性胃肠炎（TGE）和猪流行性腹泻（PED）都能引起仔猪急性、高发性、高度接触性肠道疾病［51-52］，目前的研究发现，在感染猪流行性腹泻病毒（PEDV）的仔猪肠道内FcRn 下调表达，可能与TLRs 信号通路有关［53］；同时在感染猪德尔塔冠状病毒（PDCoV）的仔猪肠道内FcRn 表达也是下调的［54］；而在感染猪传染性胃肠炎病毒（TGEV）的猪小肠上皮细胞，发现TGEV 的N 蛋白通过激活NFκB 信号通路上调FcRn 的表达，同时推测TGEV 感染细胞分泌的TGF-β 也参与上调FcRn 的表达［55］。由于FcRn 可介导IgG 转运穿过上皮细胞屏障将IgG 分泌到黏膜表面，对黏膜起到保护作用，因此可以从另一个角度阐明病原与黏膜相互作用机制。

近几年研究还发现，人巨细胞病毒（HCMV）通过内质网相关降解途径（ERAD）使FcRn 降解，抑制了机体的黏膜免疫和天然免疫，同时也缩短了血液和组织中IgG 的半衰期，HCMV 可能以此来逃避抗体介导的体液免疫反应，有助于更好地理解HCMV 的致病机制及相关疾病的治疗［56］。Zhao 等［57］通过CRISPR-Cas9 筛选发现FcRn 还是大部分B 族肠道病毒（EV-B）的脱壳受体，这一发现推动了该类疾病治疗性药物的研发。

4.2 FcRn 应用前景

由于FcRn 能与IgG Fc 片段相互结合，将IgG Fc 片段上几个氨基酸残基突变，可增强与FcRn 的结合力，延长IgG 的半衰期。鉴于此，可以通过改良治疗性抗体的Fc 片段，改善治疗性抗体的药代动力学和药效学特性。另一方面，也可以通过阻断FcRn 与病原性抗体的结合有效治疗自身性免疫疾病。主要是通过静脉注射大量的免疫球蛋白，使FcRn 达到饱和状态，阻止FcRn 与病原性抗体相互作用，同时促进了病原性抗体的降解［58］。

目前也有通过构建抗原与IgG Fc 片段的融合蛋白作为免疫抗原，通过滴鼻免疫的方式，使融合蛋白有效地穿过呼吸道上皮细胞屏障进入血液循环，使机体产生了有效的黏膜免疫应答，进而诱导全身免疫应答［59-61］。因此，可根据FcRn 在黏膜上皮细胞上的功能，有望研发新型的黏膜免疫疫苗。