揭示IgG抗体Fab结构域与FcRn直接相互作用的结构质谱学研究及其在抗体药物设计中的意义

本研究通过氢氘交换质谱(HDX-MS)和交联质谱(XL-MS)技术，首次证实了IgG抗体Fab结构域与新生儿Fc受体(FcRn)α3结构域之间的直接相互作用，解决了长期以来关于Fab结构域是否参与FcRn介导的IgG回收过程的争议。研究发现Fab-FcRn相互作用会影响抗体药代动力学特性，为设计具有优化半衰期的治疗性抗体提供了新思路。

　　

在生物医药领域，单克隆抗体(mAbs)已成为增长最快的治疗性蛋白质类别，目前已有超过100种获得FDA批准。IgG作为最主要的治疗性抗体类型，其成功的关键在于结合了特异性靶标识别能力和长达2-3周的异常长血浆半衰期。这种独特的药代动力学特性主要归功于IgG与新生儿Fc受体(FcRn)之间的pH依赖性相互作用机制。然而，尽管FcRn-IgG相互作用已被广泛研究，但关于Fab结构域是否参与这一过程的争议持续存在，这主要是因为缺乏高分辨率的全长IgG-FcRn复合物结构。

长期以来，科学界普遍认为FcRn仅通过IgG的Fc区域与之相互作用。但临床观察发现，具有相同Fc区域但不同Fab结构域的IgG抗体表现出显著不同的半衰期，暗示Fab结构域可能参与FcRn结合。这一现象对治疗性抗体的优化设计具有重要意义，因为即使是针对相同靶点的抗体(如ustekinumab和briakinumab)，由于Fab区域的差异，其半衰期可以从22天缩短至8-9天。因此，阐明Fab结构域在FcRn相互作用中的确切作用机制，对于开发具有优化药代动力学特性的下一代治疗性抗体至关重要。

来自瑞士苏黎世联邦理工学院和挪威奥斯陆大学医院的研究团队在《Communications Biology》发表了一项突破性研究。研究人员采用氢氘交换质谱(HDX-MS)和交联质谱(XL-MS)两种互补的结构质谱学技术，系统研究了全长IgG1与FcRn的相互作用机制。研究选择了两种具有不同Fab结构域的IgG1抗体：完全人源化的抗TNF-α抗体Adalimumab(H-mAb)和针对半抗原4-羟基-3-硝基苯乙酸的鼠-人嵌合抗体(C-mAb)。通过表达纯化可溶性人FcRn和抗体，研究人员建立了完整的实验体系。

研究首先通过XL-MS技术鉴定出FcRn与IgG Fc区域之间的三个交联位点，验证了已知的经典结合界面。更重要的是，该技术首次直接检测到Fab结构域与FcRn α3结构域之间的交联，包括Fab重链K217/K218与FcRn α3结构域K243的交联。HDX-MS分析进一步证实，FcRn结合不仅稳定了Fc区域的构象动力学，还显著影响了Fab特定区域的氢氘交换率。这些发现共同支持了Fab-FcRn直接相互作用的存在。

序列分析与mAb选择
研究人员选择H-mAb和C-mAb两种IgG1进行对比研究，它们具有相同的Fc区域但不同的Fab结构域。序列比对显示两者在Fab区域存在显著差异，特别是C-mAb含有鼠源λ轻链，而H-mAb含有人源κ轻链。表面电荷分析未发现明显差异，为后续结构研究奠定了基础。

XL-MS证实Fab-FcRn直接相互作用
交联质谱实验鉴定出多个FcRn与IgG之间的交联位点，包括已知的Fc区域结合位点(K292/K294与β₂
m K91)和首次发现的Fab区域结合位点(Fab HC K217/K218与FcRn α3 K243)。这些交联的距离约束均符合DSS交联剂的30?作用范围。控制实验排除了非特异性相互作用的可能性，证实Fab-FcRn相互作用依赖于完整的IgG结构。

HDX-MS揭示构象动力学变化
氢氘交换实验显示，FcRn结合不仅稳定了Fc区域CH2-CH3连接处的经典结合界面，还显著影响了Fab特定区域的构象动力学。在H-mAb中，轻链第71位和重链185-189位残基的氢氘交换率降低；在C-mAb中，轻链121-128位和重链159-167、184-188位残基也表现出类似的保护效应。这些变化与XL-MS结果相互印证，共同支持Fab-FcRn相互作用的存在。

相互作用空间分析
基于交联距离约束的相互作用空间分析显示，Fab结构域在溶液中呈现动态构象，其可及空间主要分布在FcRn α3结构域和β₂
m上方。这一发现与IgG铰链区高度灵活的特性一致，为理解Fab-FcRn相互作用的动态本质提供了结构基础。

这项研究通过多角度结构质谱学分析，首次提供了Fab结构域直接参与FcRn相互作用的实验证据。研究不仅完善了对IgG长半衰期分子机制的理解，更重要的是为治疗性抗体的理性设计提供了新思路。通过调控Fab-FcRn相互作用，有望开发出具有定制药代动力学特性的下一代抗体药物。特别是对于那些因Fab区域特性导致不良药代动力学的临床候选抗体，本研究提出的分子机制可指导其优化改造，从而提高治疗效果和患者依从性。

研究还提出了一个重要的概念：FcRn与IgG的结合可能遵循"两步钳制"机制，即首先通过Fc区域形成初始复合物，随后Fab区域与α3结构域发生次级相互作用。这一机制解释了为何具有相同Fc区域但不同Fab结构的抗体表现出不同的FcRn结合特性。从转化医学角度看，这些发现将直接影响抗体药物的发现和优化流程，特别是在先导化合物筛选阶段就需要考虑Fab结构对药代动力学的影响。