補體系統(tǒng)是天然免疫的重要組成部分，是人體免疫的第一道防線。補體系統(tǒng)由50多種可溶性蛋白和細胞表面受體組成，在清除病原體、調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)及維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)等過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。補體系統(tǒng)的功能紊亂與多種人類疾病有關(guān)，包括腎臟病、風(fēng)濕性疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和心血管疾病等。補體系統(tǒng)通過三條獨立但相互關(guān)聯(lián)的激活途徑發(fā)揮功能：經(jīng)典途徑、凝集素途徑和旁路途徑。這三條途徑最終在核心成分C3處匯合，C3經(jīng)由C3轉(zhuǎn)化酶裂解，生成C3a和C3b兩個片段。C3a作為一種過敏毒素，誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)；C3b則作為調(diào)理素結(jié)合在病原體表面，放大補體激活信號，增強被標(biāo)記病原被吞噬細胞識別和清除的能力以及參與激活補體下游組分【1-4】。

C3轉(zhuǎn)化酶是補體系統(tǒng)中的關(guān)鍵酶復(fù)合物，在激活補體級聯(lián)反應(yīng)中起核心作用。C3轉(zhuǎn)化酶主要有兩種形式：經(jīng)典途徑和凝集素途徑中的C4b2a復(fù)合物，以及旁路途徑中的C3bBb復(fù)合物。C4b2a中C4b由經(jīng)典途徑中的絲氨酸蛋白酶C1s或凝集素途徑中的MASP-2切割C4形成，隨后與C2結(jié)合形成酶原C4b2，C2再次被兩種酶切割形成具有活性的C4b2a復(fù)合物；C3bBb轉(zhuǎn)化酶則由C3b與因子B結(jié)合并在因子D作用下形成，形成的C3bBb復(fù)合物可被Properdin穩(wěn)定。然而，C4b2a和C3bBb復(fù)合物高度不穩(wěn)定，在形成后數(shù)分鐘內(nèi)即完全解離，這給其研究帶來了很大挑戰(zhàn)。補體核心環(huán)節(jié)的C3bBb轉(zhuǎn)化酶識別C3的詳細機制仍未明確。以及，經(jīng)典/凝集素途徑C4b2a轉(zhuǎn)化酶的組裝及其底物結(jié)合機制也尚不清楚，這在一定程度上限制了其作為治療靶點的開發(fā)【5-8】。

圖1. 補體級聯(lián)通路示意圖。紅色標(biāo)記為本研究中解析完成的復(fù)合物。

2026年2月20日，北京大學(xué)肖俊宇課題組聯(lián)合北京大學(xué)第一醫(yī)院腎內(nèi)科趙明輝、譚穎團隊在Science Advances期刊發(fā)表題為

Complement C3 recognition by C3 convertases

補體C3、C4等蛋白分子量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重組表達困難，因此研究者首先從人血漿中純化得到補體C3、C4等蛋白以進行后續(xù)實驗。同時鑒于補體系統(tǒng)的兩種轉(zhuǎn)化酶高度不穩(wěn)定的特性，研究者對轉(zhuǎn)化酶組裝條件進行優(yōu)化，將生理條件下轉(zhuǎn)化酶組裝所需的鎂離子替換為鎳離子，從而顯著延長轉(zhuǎn)化酶的半衰期。C3轉(zhuǎn)化酶是由催化單元（C2，CFB）與支架蛋白（C4b，C3b）共同組成，只有催化單元時無法實現(xiàn)對底物特異性的識別和切割，但完整的轉(zhuǎn)化酶識別底物C3時具有高度特異性，研究者由此推測底物C3與轉(zhuǎn)化酶結(jié)合時存在與催化單元之外的結(jié)合表位，這種額外的結(jié)合表位保證了底物識別的特異性。因此，研究者在轉(zhuǎn)化酶復(fù)合物的催化單元C2和B因子中引入突變使其無法有效切割底物C3，從而保留了C3轉(zhuǎn)化酶與底物C3處于結(jié)合狀態(tài)下的復(fù)合物。

圖2. 補體經(jīng)典途徑/凝集素途徑C3轉(zhuǎn)化酶與底物C3形成的復(fù)合物C4b2a-C3結(jié)構(gòu)示意圖。

研究者根據(jù)以上思路制備樣品并首先利用冷凍電子顯微鏡解析了經(jīng)典途徑和凝集素途徑共同的轉(zhuǎn)化酶C4b2a結(jié)合底物C3形成的“Michaelis”復(fù)合物C4b2a-C3的高分辨率結(jié)構(gòu)（圖2），可以觀察到C3中的可剪切鍵位于ANA結(jié)構(gòu)域的羧基端與α’-NT結(jié)構(gòu)域的氨基端形成的loop狀結(jié)構(gòu)上，該loop插入到C2a的絲氨酸蛋白酶結(jié)構(gòu)域的催化口袋中。除此之外，C4b與C3，C2與C3形成的相互作用界面提供了轉(zhuǎn)化酶結(jié)合底物的親和力，保證底物識別的特異性。值得注意的是，冷凍電鏡樣品中還存在兩種經(jīng)典途徑轉(zhuǎn)化酶的酶原形式C4b2（未展示），這在此前的研究中未被發(fā)現(xiàn)。C4b2復(fù)合物存在兩種明顯不同的構(gòu)象，一種被命名為“l(fā)oading”狀態(tài)，即C2剛結(jié)合至C4b還未完成SP結(jié)構(gòu)域的固定；另一種則成為“activation”狀態(tài)，即活化狀態(tài)，此時C2的SP結(jié)構(gòu)域與C4b形成相互作用并被固定，固定后暴露出可被C1s切割的剪切鍵，切割后vWF結(jié)構(gòu)域離去，從而完成C4b2到C4b2a的過程，形成最終具有活性的轉(zhuǎn)化酶“C4b2a”，該過程的解析完整的闡明了C3轉(zhuǎn)化酶從組裝到成熟的分子過程，

圖3. 補體旁路途徑C3轉(zhuǎn)化酶與底物C3形成的復(fù)合物C3bBbP-C3結(jié)構(gòu)示意圖。

研究者采用相似的思路解析了旁路途徑轉(zhuǎn)化酶C3bBb結(jié)合底物C3形成的“Michaelis”復(fù)合物C3bBbP-C3的高分辨結(jié)構(gòu)（圖3）。與C4b2a-C3類似，C3的可剪切鍵所在的loop結(jié)構(gòu)插入到B因子的催化口袋中，且C3b與C3相互作用。C3b展示出與C4b類似的C3結(jié)合界面，但B因子與C3的相互作用界面展示出明顯不同的特征，B因子與C3剪切鍵一側(cè)的α’-NT結(jié)構(gòu)域形成β片狀結(jié)構(gòu)，顯然這些特征性的相互作用保證了底物識別的特異性。Properdin是補體系統(tǒng)中已知的唯一正向調(diào)節(jié)因子，結(jié)合在C3bBb上起到延長其半衰期的作用。研究者分析了Properdin與C3bBb的相互作用界面，發(fā)現(xiàn)Properdin主要通過TSR5-stirrup和TSR6-stirrup兩個區(qū)域與C3b和Bb相互作用，起到加固C3bBb的功能。

最后，研究者利用獲得的高分辨結(jié)構(gòu)對兩種代表性的靶向補體C3環(huán)節(jié)的藥物作用機制進行分析，闡明了兩種藥物作用的分子機制，為開發(fā)補體靶向藥物提供重要信息。

北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院2021級博士研究生賈長昊、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后楊曉珂為論文的共同第一作者。肖俊宇教授與北京大學(xué)第一醫(yī)院腎內(nèi)科譚穎副教授、趙明輝教授為本文的共同通訊作者。

10.1126/sciadv.adz5404

制版人： 十一

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