HLA-DM的共表达增强了磁小体展示系统中MHC II类的功能

《Microbiology Spectrum》：HLA-DM co-expression enhances MHC class II function in the magnetosome display system

高效筛选抗原肽的磁小体显示系统研究

　　在现代免疫学和疫苗开发领域，准确识别能够与主要组织相容性复合体II类分子（MHC II）结合的抗原性肽是至关重要的。MHC II分子作为细胞表面抗原呈递的关键蛋白，负责将病原体来源的肽段展示给T细胞，从而激活适应性免疫反应。然而，目前用于MHC II肽展示的哺乳动物表达系统存在一些显著的局限性，包括高昂的成本和较低的可扩展性，尤其是在稳定肽交换方面表现不足。为了解决这些问题，研究人员开发了一种基于磁细菌的磁小体表面展示系统，利用磁小体（magnetosome）这一天然的纳米级结构，实现MHC II与人类白细胞抗原DM（HLA-DM）的共表达和共定位，从而提高MHC II的稳定性和功能效率。

磁小体是某些磁性细菌（如*Magnetospirillum magneticum*）在细胞内合成的磁性纳米颗粒，其外层覆盖着脂质双分子层，并且富含特定的蛋白质。这些磁小体因其独特的物理和化学特性，已被广泛应用于生物技术领域，包括免疫检测、生物传感器、药物递送和配体-受体相互作用分析等。本研究进一步拓展了磁小体展示系统的功能，通过引入一种新的共表达策略，将MHC II和HLA-DM通过“粘合素-连接素”（cohesin–dockerin）相互作用实现共定位。这一策略不仅提高了MHC II在磁小体表面的稳定性，还显著增强了其对特定抗原肽的结合能力。

在具体实验设计中，研究人员构建了两种融合基因：一种是Mms13与CohC或CohR的结合，另一种是MHC II与DocC、HLA-DM与DocR的融合。通过将这些基因插入到特定的质粒中，并在磁小体菌株AMB-1 Δ*lon*中进行表达，最终实现了MHC II和HLA-DM在磁小体表面的共表达。该系统的成功依赖于磁小体膜与这些融合蛋白之间的相互作用，使得MHC II能够在磁小体表面保持其天然构象，并有效与抗原肽结合。

实验结果表明，与仅表达MHC II的磁小体相比，共表达HLA-DM的磁小体能够显著提高MHC II的表面展示效率。通过使用荧光免疫检测（ELISA）和蛋白印迹（Western blot）等方法，研究人员验证了该系统在MHC II稳定性和抗原肽结合能力方面的优势。特别是，当HLA-DM与MHC II共表达时，磁小体表面的MHC II蛋白不仅表现出更高的稳定性，还能更有效地与抗原肽结合。例如，在使用流感病毒来源的HA???–???表位进行实验时，共表达HLA-DM的磁小体显示出比单独表达MHC II的磁小体更高的结合信号，这表明HLA-DM在促进肽交换和稳定MHC II结构方面发挥了重要作用。

此外，研究还揭示了HLA-DM在MHC II功能中的关键作用。在哺乳动物系统中，HLA-DM作为一种非经典的伴侣蛋白，能够帮助MHC II分子将低亲和力的CLIP肽替换为高亲和力的抗原肽，从而提高抗原呈递的效率。在本研究中，通过将HLA-DM与MHC II共定位在磁小体表面，研究人员成功模拟了这一自然过程。实验结果显示，HLA-DM的存在显著减少了MHC II的降解，并提高了其与抗原肽的结合能力。这种共定位策略不仅增强了MHC II的稳定性，还促进了其功能性的维持，为高通量抗原筛选和疫苗设计提供了新的工具。

研究团队还探讨了该系统的潜在应用。由于磁小体具有良好的磁性，它们可以被磁性分离设备高效收集，这使得该系统在大规模抗原筛选中具有显著优势。同时，磁小体展示平台的模块化特性允许研究人员灵活地调整和优化不同蛋白的表达条件，从而适应多种免疫学研究需求。例如，该系统不仅可以用于流感病毒抗原的识别，还可以扩展至肿瘤相关抗原或自身免疫性抗原的筛选，进一步拓展其在免疫治疗和疫苗开发中的应用范围。

值得注意的是，尽管磁小体展示系统在功能性和可扩展性方面表现出色，但其在某些方面仍存在改进空间。例如，磁小体膜的脂质组成与哺乳动物细胞膜存在差异，这可能影响抗原肽的选择和交换效率。此外，MHC II分子的糖基化修饰在维持其生物学活性方面也具有重要作用，但目前的细菌系统尚无法实现这种复杂的后翻译修饰。因此，未来的研究需要进一步优化磁小体膜的结构，使其更接近哺乳动物细胞膜，并探索如何在细菌系统中引入糖基化修饰，以提高MHC II的生物学功能。

在技术实现方面，磁小体展示系统的优势在于其低成本和高效率。与传统的哺乳动物细胞培养系统相比，磁小体细菌具有更快的生长速度和更高的蛋白产量，这使得该系统在大规模抗原筛选中更具可行性。同时，该系统还支持多种蛋白质的共表达，包括MHC I分子、T细胞受体（TCRs）以及G蛋白偶联受体（GPCRs），为免疫学和膜生物学研究提供了更广泛的应用前景。研究人员已经成功利用该系统展示多种蛋白复合体，包括单链MHC I/肽复合物、受体酪氨酸激酶和GPCRs，这表明磁小体展示平台具有高度的通用性和可塑性。

尽管本研究未进行大规模肽库筛选，但其设计为未来的高通量筛选提供了坚实的基础。通过结合先进的质谱技术和机器学习算法，研究人员可以进一步提高抗原肽识别的准确性和效率。例如，质谱分析能够精确测定抗原肽与MHC II的结合情况，而机器学习模型则可以帮助预测潜在的抗原肽结合位点。这种技术的结合有望加速抗原表位的发现，并为疫苗设计提供更加精准的数据支持。

此外，磁小体展示系统还具备与其他免疫学技术的兼容性。传统的MHC II四聚体技术依赖于在溶液中重折叠MHC II α/β链，并通过生物素-链霉亲和素复合物进行组装。然而，这种方法需要预先筛选抗原肽，并且在组装后难以进行进一步的肽交换。相比之下，磁小体展示系统能够在基因水平上实现MHC II和HLA-DM的共表达，从而在蛋白表达后直接进行肽交换，提高了实验的灵活性和效率。这种特性使得磁小体系统在抗原呈递研究中具有独特的优势，尤其是在需要动态调整抗原肽的情况下。

综上所述，本研究开发的磁小体表面展示系统为MHC II和HLA-DM的共表达提供了新的解决方案。该系统不仅能够提高MHC II的稳定性，还能显著增强其与抗原肽的结合能力，从而为高通量抗原筛选和疫苗设计提供了有力支持。同时，该系统具有成本低、可扩展性强、兼容性好等优点，有望成为替代传统哺乳动物表达系统的理想工具。未来的研究将进一步优化该系统，使其更接近哺乳动物细胞的生理环境，并探索其在更多免疫学领域的应用潜力。