Fcgrt全身性敲除小鼠助力免疫學(xué)的研究

想調(diào)整研究方向，獲得學(xué)術(shù)研究突破口？想獲得論文選題思路，提高發(fā)文命中率？你需要了解學(xué)科發(fā)展態(tài)勢(shì)和未來走向！賽業(yè)生物專欄《Gene of the Week》每周二會(huì)根據(jù)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域介紹一個(gè)基因，詳細(xì)為您介紹基因基本信息、研究概況和應(yīng)用背景等，助您保持學(xué)術(shù)研究敏銳度，提高科學(xué)研究效率，期待您的持續(xù)關(guān)注哦。今天我們要講的主角是免疫研究熱門基因之Fcgrt。

FcRn的結(jié)構(gòu)

在五種類型的免疫球蛋白（IgA、IgD、IgE、IgG和IgM）中，IgG在人體血清中的含量是最多的（約占Ig的75%）。IgG是機(jī)體病原體和抗毒素的重要成分，在機(jī)體免疫反應(yīng)中起到了重要作用。此外，IgG是已知的能從母體轉(zhuǎn)移至胎兒，從而使胎兒獲得短期被動(dòng)免疫能力的抗體。而這種IgG的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)是由neonatal Fc receptor（FcRn）所介導(dǎo)。FcRn能保護(hù)IgG和白蛋白在細(xì)胞內(nèi)“不被降解”，并將其釋放回血液循環(huán)中。其中，F(xiàn)cgrt 基因編碼了FcRn蛋白的α重鏈。

與其他的Fc受體不同，F(xiàn)cRn的結(jié)構(gòu)與MHC I類分子類似，是由一條α重鏈（由Fcgrt基因編碼）和一條β2-微球蛋白（β2m）所組成的異源二聚體。FcRn與IgG的結(jié)合是通過IgG的Fc端CH2–CH3鉸鏈區(qū)所進(jìn)行的。此外，在不平衡條件（non-equilibrium）下，F(xiàn)cRn與IgG以1:1的比例結(jié)合，在平衡條件（equilibrium）下，F(xiàn)cRn與IgG以2:1的比例結(jié)合；而白蛋白在其他位點(diǎn)與FcRn以1:1的比例結(jié)合。

圖1. FcRn與IgG和白蛋白結(jié)合的結(jié)構(gòu)示意圖[1-2]。

上圖：人IgG1（綠色）通過其Fc端CH2–CH3域與FcRn的α2域（紅色）和β2M（藍(lán)色）的N端相結(jié)合。人血清白蛋白（紫色）在其他結(jié)合域與FcRn結(jié)合。下圖：平衡條件下，F(xiàn)cRn與IgG以2:1的比例結(jié)合；白蛋白在其他位點(diǎn)與FcRn以1:1的比例結(jié)合。

FcRn的轉(zhuǎn)運(yùn)保護(hù)機(jī)制

FcRn在體內(nèi)許多組織的上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞及多種免疫細(xì)胞（如單核巨噬細(xì)胞）中廣泛表達(dá)。其中，血管內(nèi)皮細(xì)胞是FcRn保護(hù)IgG免于被分解代謝的主要部位。在這些地方，F(xiàn)cRn與血液的接觸面積很大。當(dāng)血管內(nèi)皮細(xì)胞大量內(nèi)吞血清中的蛋白時(shí)，F(xiàn)cRn可以有效地?cái)r截IgG并將其返還到血液循環(huán)中，從而延長血清中IgG的半衰期。FcRn與IgG的結(jié)合是pH依賴性的：它們只在酸性條件（pH6.0-6.5）下結(jié)合，在中性（pH7.0-7.5）條件下解離。因此，在酸化的內(nèi)體(endosome)中，IgG能與FcRn有效結(jié)合，并跟隨FcRn被轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜表面。由于細(xì)胞外血液的pH值為微堿性（pH7.35-7.45）,IgG與FcRn解離，被“回收”至血液循環(huán)中。此外，F(xiàn)cRn對(duì)血清白蛋白（serum albumin, SA）的保護(hù)機(jī)制與IgG相同，也為pH依賴性。且SA在人血清中的半衰期很長，約有20天。

圖2. FcRn對(duì)IgG的轉(zhuǎn)運(yùn)保護(hù)機(jī)制[3]。

FcRn在血管內(nèi)皮細(xì)胞和循環(huán)中的單核細(xì)胞上均有表達(dá)。這些細(xì)胞通過內(nèi)吞作用，將血清中的IgG攝入細(xì)胞內(nèi)，IgG與FcRn在酸化的內(nèi)體中結(jié)合。沒能與FcRn結(jié)合的蛋白會(huì)在溶酶體中被降解，而與FcRn結(jié)合的IgG則會(huì)被釋放回血液循環(huán)中，從而延長其半衰期。

利用FcRn的轉(zhuǎn)運(yùn)保護(hù)機(jī)制來延長藥物半衰期

很多藥物利用FcRn對(duì)IgG和SA的保護(hù)機(jī)制，與IgG的Fc或SA進(jìn)行融合/偶聯(lián)來延長其血清半衰期，改善藥代動(dòng)力學(xué)�；蛘吒�進(jìn)一步，對(duì)Fc和SA進(jìn)行改造，提高其與FcRn的結(jié)合力后，再與藥物進(jìn)行融合/偶聯(lián)。例如，用于治療牛皮癬的Amevive (alefacept)，治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的Enbrel (etanercept)、治療免疫性血小板減少癥(ITP)的Nplate (romiplostim)等，都通過與hIgG1的Fc進(jìn)行偶聯(lián)來達(dá)到延長血清半衰期的目的。此外，用于治療II型糖尿病的藥物Tanzeum(albiglutide)、治療B型血友病的Albutrepenonacog alfa (Idelvion)等，則通過與SA進(jìn)行偶聯(lián)來延長藥物血清半衰期。

圖3. 利用FcRn保護(hù)機(jī)制的各種融合蛋白示意圖[3]。

(a)全長IgG1；(b)白蛋白；(c)與Fc進(jìn)行融合；(d) 與單體Fc融合；(e) 與單體Fc的CH2和CH3融合；(f) 與經(jīng)改造后與FcRn結(jié)合力更強(qiáng)的affibody融合; (g) 與IgG Fc-binding peptide (FcBP)融合。

總結(jié)

IgG和SA能通過與FcRn的結(jié)合（pH依賴性），避免被降解，并被“回收”至循環(huán)系統(tǒng)中。研究人員們利用這個(gè)機(jī)制，對(duì)藥物進(jìn)行改造，以延長其血清半衰期。此外，從另一個(gè)角度來看，靶向FcRn的抑制劑也可通過去除對(duì)IgG的保護(hù)作用，來治療由自身抗體導(dǎo)致的自身免疫性疾病。目前，已有多種FcRn抑制劑正處于臨床試驗(yàn)階段。例如，荷蘭生物技術(shù)公司Argenx的Efgartigimod已處于治療廣義重癥肌無力（gMG）的phase 3階段；優(yōu)時(shí)比(UCB)公司的Rozanolixizumab也已處于治療gMG和ITP的phase 3階段。不久的將來，希望能看到更多有效藥物的上市，為患者們帶來福音。

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FcRn/SA雙人源化小鼠

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)藥代動(dòng)力學(xué)的人源化小鼠

FcRn/血清白蛋白（SA）雙人源化小鼠-AlbuMusTM模型

品系背景：C57BL/6N

AlbuMusTM品系說明：

在以前建立的白蛋白人源化模型中，hSA的表達(dá)不符合正常的生理水平及表達(dá)模式。通過對(duì)白蛋白復(fù)合物成熟過程及與FcRn表達(dá)和調(diào)控的模式進(jìn)行深入分析，建立了SA/FcRn雙人源化模型，該模型hSA的生理水平和hFcRn的表達(dá)模式符合正常生理水平。

■ 人源化SA和人源化FcRn由各自的內(nèi)源性小鼠啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)，取代了小鼠體內(nèi)對(duì)應(yīng)的基因表達(dá)。

■ 在AlbuMusTM中人白蛋白的表達(dá)處于正常生理水平（1.5-6 g/dL），血液化學(xué)檢測(cè)小鼠體內(nèi)人白蛋白表現(xiàn)正常。

■ AlbuMusTM小鼠的血液化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與野生型相似。

■ AlbuMusTM，雙人源化FcRn/白蛋白小鼠模型表現(xiàn)出正常的白蛋白相關(guān)藥物和生物制劑所需的自體人受體/配體相互作用（它們的半衰期與在非人類靈長類動(dòng)物中獲得的數(shù)據(jù)相關(guān)）。

■ AlbuMusTM模擬了人體的生理狀態(tài)，因此在和SA可逆結(jié)合蛋白相關(guān)藥物和常規(guī)藥物的生物制劑的開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用。

■ 雙重人源化FcRn/白蛋白小鼠模型是研究白蛋白相關(guān)藥物PK/PD的獨(dú)特工具。

模型驗(yàn)證：

圖1. 人源FcRn的表達(dá)符合正常生理水平。

A）用qPCR法分析人源SA/FcRn小鼠組織標(biāo)本中的hFcRn的表達(dá)。發(fā)現(xiàn)hFcRn在十二指腸(Du)、空腸(Je)、回腸(iLe)、大腸(Li)、肝(H)、腎(K)、肺(Lu)中都有表達(dá)。B）人源SA/FcRn小鼠(大圖)和野生型小鼠(小圖)中hFcRn的免疫組化染色。野生型小鼠對(duì)FcRn無交叉反應(yīng)(小圖)。

圖2. 在我們的雙重人源SA/FcRn小鼠中，與人白蛋白結(jié)合的藥物的半衰期得以延長。上圖）白蛋白結(jié)合藥物1：對(duì)hFcRn的親和力低；下圖）白蛋白結(jié)合藥物2：對(duì)hFcRn的親和力高。

圖3. 與野生型小鼠相比，與Veltis®結(jié)合的藥物（Exenatide）在AlbuMusTM小鼠體內(nèi)的半衰期延長了一倍；在AlbuMusTM小鼠中，與HB-Veltis®偶聯(lián)的Exenatide的半衰期比與第一代技術(shù)偶聯(lián)的Exenatide的半衰期延長了一倍（Veltis®NS）。因此，該化合物的半衰期延長是由于提高了Veltis®對(duì)人類FcRn的高親和力。

引用文獻(xiàn)精選：

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.

參考文獻(xiàn)：

[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).