瘧疾仍然是世界范圍內(nèi)的重要公共衛(wèi)生問(wèn)題。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，2020年全球共計(jì)約有2.41億人感染瘧疾，造成約62.7萬(wàn)人死亡[1]。瘧疾是一種由瘧原蟲(chóng)感染引起的寄生蟲(chóng)病，其中惡性瘧原蟲(chóng)致死率最高。惡性瘧原蟲(chóng)以裂殖子形式感染紅細(xì)胞并在其中繁殖，最終導(dǎo)致紅細(xì)胞的裂解，從而引起發(fā)熱和溶血性貧血等臨床癥狀。一些被感染的紅細(xì)胞會(huì)黏附在胎盤或者大腦的內(nèi)皮細(xì)胞上，引起胎型瘧和腦型瘧等危重癥狀。

抗體是人體免疫系統(tǒng)的核心組成部分，對(duì)抵御包括惡性瘧原蟲(chóng)在內(nèi)的多種病原體具有重要保護(hù)作用。其中，IgM型抗體是人體體液免疫反應(yīng)的第一道防線，主要以五聚體的形式存在，包含十個(gè)抗原結(jié)合位點(diǎn)，能夠高效地結(jié)合并中和病原體[2、3]。此外，IgM還能有效激活經(jīng)典補(bǔ)體通路，在抵御瘧疾的過(guò)程中發(fā)揮重要作用[4]。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院肖俊宇課題組聚焦對(duì)IgM分子機(jī)制的研究，在之前工作中闡明了IgM五聚體組裝和黏膜轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)制，以及IgM被特異性受體識(shí)別的機(jī)制[5、6]。

在與人類長(zhǎng)期的“軍備競(jìng)賽”中，惡性瘧原蟲(chóng)演化出了拮抗IgM的機(jī)制。例如，惡性瘧原蟲(chóng)會(huì)表達(dá)一類被稱為PfEMP1的毒力蛋白，并將其分泌至紅細(xì)胞表面。這些蛋白分子量為250~350kDa，有一個(gè)很大的胞外區(qū)，包含多個(gè)達(dá)菲樣結(jié)構(gòu)域（Duffy-binding-like domain, DBL），可以結(jié)合很多人體分子[7]。例如，PfEMP1家族的VAR2CSA蛋白能夠結(jié)合胎盤表面的硫酸軟骨素，從而將感染的紅細(xì)胞滯留于胎盤中的毛細(xì)血管，引起胎型瘧[8]。PfEMP1-TM284VAR1則能夠顯著引起紅細(xì)胞的花簇狀聚集（Rosetting），導(dǎo)致腦型瘧[9]。定位在惡性瘧原蟲(chóng)裂殖子表面的DBLMSP蛋白家族成員也能夠招募IgM，并利用其逃逸人體的免疫攻擊[10]。對(duì)這些惡性瘧原蟲(chóng)蛋白與IgM的互作機(jī)制之前還沒(méi)有得到充分理解。

5月8日，肖俊宇課題組在Nature Communications期刊發(fā)表題為“Plasmodium falciparum has evolved multiple mechanisms to hijack human immunoglobulin M”的研究成果，發(fā)現(xiàn)惡性瘧原蟲(chóng)蛋白演化出多種不同的IgM結(jié)合模式，為進(jìn)一步理解惡性瘧原蟲(chóng)的免疫逃逸機(jī)制提供了重要基礎(chǔ)。

該研究體外純化了VAR2CSA和TM284VAR1的胞外域，以及DBLMSP和DBLMSP2的DBL結(jié)構(gòu)域，并將它們分別與IgM五聚體的核心區(qū)域組裝成復(fù)合體，然后利用冷凍電鏡技術(shù)解析了這些復(fù)合體的結(jié)構(gòu)（圖1）。結(jié)果顯示，雖然這些惡性瘧原蟲(chóng)蛋白均通過(guò)其DBL結(jié)構(gòu)域與IgM的中心區(qū)結(jié)合，但它們與IgM的相互作用存在多種不同模式。VAR2CSA通過(guò)DBL3X和DBL5ε兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，同時(shí)與三個(gè)IgM-Fc（Fcμ）單元結(jié)合。DBL3X通過(guò)子結(jié)構(gòu)域1（SD1）結(jié)合Fcμ2B鏈和Fcμ3B鏈，而DBL5ε則通過(guò)SD1與Fcμ1B和Fcμ2B相互作用。另一個(gè)PfEMP1蛋白TM284VAR1雖然也含有多個(gè)DBL結(jié)構(gòu)域，但只利用其DBL4ζ結(jié)構(gòu)域與IgM結(jié)合。與DBL3X和DBL5ε的結(jié)合模式不同，DBL4ζ通過(guò)子結(jié)構(gòu)域SD1和SD2介導(dǎo)與Fcμ1B、Fcμ2A和Fcμ2B的相互作用。DBLMSP家族的兩個(gè)蛋白DBLMSP和DBLMSP2則通過(guò)其DBL結(jié)構(gòu)域中的三個(gè)子結(jié)構(gòu)域SD1、SD2和SD3與Fcμ1A、Fcμ1B和Fcμ2B鏈結(jié)合，展示了另外兩種不同的結(jié)合模式。

圖1. 四種惡性瘧原蟲(chóng)蛋白與IgM核心區(qū)形成復(fù)合體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)

那么，惡性瘧原蟲(chóng)是如何利用IgM來(lái)逃逸人體的免疫系統(tǒng)呢？根據(jù)結(jié)構(gòu)研究和生化結(jié)果分析，可以將其免疫逃逸機(jī)制歸納為以下三個(gè)方面：首先，惡性瘧原蟲(chóng)蛋白與IgM的結(jié)合區(qū)域是IgM受體分子（pIgR、FcμR等）相互作用的主要熱點(diǎn)區(qū)域，因此惡性瘧原蟲(chóng)蛋白與IgM的結(jié)合會(huì)干擾IgM與受體的結(jié)合，從而抑制相關(guān)的免疫信號(hào)通路；其次，IgM會(huì)遮蓋許多已知的抗原表位，從而使惡性瘧原蟲(chóng)蛋白逃逸人體IgG中和抗體的攻擊；此外，由于空間位阻效應(yīng)，與惡性瘧原蟲(chóng)蛋白結(jié)合的IgM無(wú)法再與C1復(fù)合體結(jié)合或者無(wú)法與抗原發(fā)生有效結(jié)合，從而阻礙IgM對(duì)經(jīng)典補(bǔ)體途徑的激活（圖2）。

圖2. 惡性瘧原蟲(chóng)利用IgM介導(dǎo)免疫逃逸

總之，這一工作厘清了惡性瘧原蟲(chóng)蛋白與IgM相互作用的復(fù)雜分子機(jī)制。本應(yīng)作為人體免疫系統(tǒng)攻擊瘧原蟲(chóng)有效武器的IgM，反而被惡性瘧原蟲(chóng)的多個(gè)分子以不同方式“劫持”，充當(dāng)了保護(hù)瘧原蟲(chóng)的“盾牌”（圖3）。

圖3. IgM被惡性瘧原蟲(chóng)蛋白劫持充當(dāng)“盾牌”

蛋白質(zhì)與植物基因研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心肖俊宇研究員為該論文的通訊作者。北京大學(xué)博士后紀(jì)成功和生命科學(xué)學(xué)院2019級(jí)博士生沈皓為該論文的共同第一作者。本研究得到了昌平實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院?jiǎn)|產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基金和北京大學(xué)博雅博士后項(xiàng)目的支持。

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來(lái)源：北京大學(xué)