Science | “插销进孔”机制：γ链家族受体激活的独特艺术

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细胞因子γ链(cytokine receptor common gamma chain, γc) 是一种膜受体分子，它在哺乳动物免疫系统中发挥着重要的作用。γc是一种共享的信号转导分子，当它们与相应的白细胞介素结合时，会与共同的γc受体 (CD132) 特异性地配对，以实现信号传导，从而调节多种免疫细胞的生长、分化和功能¹。迄今为止，该家族包括六个成员：白细胞介素-2受体 (IL-2R)、IL-4R、IL-7R、IL-9R、IL-15R和IL-21R。这些受体在先天和适应性免疫系统的多个淋巴细胞谱系的发育和增殖中起着关键作用²，并且是免疫治疗的临床重要靶点。白细胞介素受体 (ILRs) 和γc是I型跨膜蛋白，包括配体结合域、跨膜域TMD和包含Janus激酶 (JAK) 结合位点的胞内域ICD。

近年来，已有晶体学研究揭示白细胞介素介导γc与ILRs特异配对的机制，其中包括IL-2和IL-4结合受体的复合物结构^3,4。在这两种情况下，IL与ILR的结合生成了一个复合表面，用于后续与γc的相互作用。

然而，迄今为止，研究者对于ILRs的TMD及其在受体信号传导中可能发挥的作用尚不清楚。尽管已有研究揭示了TMD在介导受体寡聚和激活中的重要作用，但由于缺乏γc家族受体跨膜区域的结构信息，一些TMD突变相关疾病的结构基础尚不清楚。

2023年8月3日，哈佛医学院James J. Chou实验室在Science期刊上发表了题为Structural basis of γ chain family receptor sharing at the membrane level的论文。研究者发现γc TMD与IL-7R和IL-9R TMD之间的直接相互作用是受体信号传导所必需的。这引发了一个问题，即单个跨膜螺旋 (TMH) 如何具有结构复杂性，能够特异性地识别具有高度序列差异的各种TMH。研究者确定了γc TMD与IL-7R和IL-9R TMD的高分辨率结构，并通过功能突变分析揭示了一种共同的“插销进孔”机制，这是γc与ILR配对的基础。

大量关于γc家族受体成员的结构和功能研究已经描述了受体激活。简而言之，IL与其α或β链受体的胞外结构域结合，随后招募γc，从而将ICD定位在正确的位置，以允许JAK1和JAK3的相互磷酸化，并激活下游信号传导器和转录激活因子 (STAT) 信号传导（图1A）。为了测试ILR TMD和γc TMD之间的异源相互作用是否可以通过去除胞外域来实现，研究者设计了野生型和可切割的IL-7R和γc（图1B）并在BaF3细胞内共表达，用TEV蛋白酶孵育后，用STAT5磷酸化来评估激活情况。结果表明，TEV可切割的hIL-7R和h-γc可以在没有配体结合的情况下被激活，最大激活效率可达到约40%（图1C、D），并且受体激活效率的增加与细胞表面受体ECD切割的增加相关。此外，研究者还发现，在没有配体的情况下，单独的hIL-7R和hγc胞外域都参与了受体的自抑制。因此，hIL-7R和hγc中TMD的异源相互作用在驱动信号传导的过程中发挥着积极作用。

图 1 去除IL-7R和γc的胞外结构域可激活IL-7R信号传导

接下来，研究者探究了γc TMD是否可以直接与细胞膜上的ILR（指定IL-xRTMD）结合，以及TMD的异二聚化是否也表现出与胞外域一样的受体共享特性。研究者选择了γc、IL-4R、IL-7R和IL-9R的TMD来测试异二聚相互作用（图2A），从β链家族中选择IL-5R的TMD来检测其与γcTMD可能的非特异性互作。细菌腺苷酸环化酶双杂交 (BACTH) 试验表明，γc TMD可以稳定地与IL-4R、IL-7R和IL-9R的TMD异二聚，相应的菌落显示出最强的蓝色，相比之下，γc的TMD与IL-5R之间没有关联，这表明没有跨家族的TMD相互作用（图2C）。另外，对γc家族的人γc、IL-2Rα、IL-2Rβ、IL-15R和IL-21R以及βc家族的人βc和IL-5R的BACTH结果表明，异源TMD互作与γc家族受体共享网络是一致的（图2D）。

图 2 γc TMD与其家族成员TMD的特异性异二聚化

为了了解膜水平上受体共享的结构基础，研究者在模拟脂质双分子层的双胞体中测定了两种具有代表性的异源二聚体复合物的高分辨率核磁共振结构：γc TMD结合IL-7R TMD和γc TMD结合IL-9R TMD。有趣的是，这两个跨膜异二聚体结构出乎意料地同源。最重要的是，这种结构相似性的特征是~20°的螺旋填充角和γc TMD在针对IL-7/9R TMD的填充中涉及相同的表面（图3B）。对这两种结构的进一步观察发现，L-7/9R TMD的疏水口袋由四个残基组成，γc TMD的I274是填充IL-7/9R TMD疏水口袋的关键残基（图3C、D），令人联想起“插销进孔”机制。

图 3 γc TMD与IL-7R TMD、IL-9R TMD复合物的核磁共振结构显示出共同的“插销进孔”识别机制

其他γc TMD残基I266、P267、T270和L277也与受体TMDs有密切的范德华接触，但似乎没有被锁定在一个孔中（图4A、B）。将γc TMD的P267、T270、I274或L277突变为酪氨酸破坏了与IL-4R TMD、IL-7R TMD和IL-9R TMD的异源二聚化（图4C）。将IL-7R TMD的S252或L255突变为酪氨酸也会消除异源二聚化（图4D）。因此，这些核磁共振结构与细胞膜中表达的结构一致，揭示了不同家族成员的γc在膜内的识别在很大程度上基于相同的“插销进孔”机制（图4E）。

图 4 突变验证γc TMD的表面互补性和共同机制

为了确定TMD异二聚体的“插销进孔”机制是否与受体信号传导相关，研究者进行了一系列的突变验证。根据γc TMD与IL-7R TMD复合物的结构，小鼠中γc TMD的旋钮残基为I274，人类中为I273，而IL-7R TMD中插孔的关键成分是L255（图5A）。这些残基被突变为酪氨酸，以破坏旋钮-插孔相互作用。在添加配体之前，所有突变都观察到稀疏的斑点，这表明引入TMD突变并不影响配体前期关联。在添加配体后，表达I273Y hγc或L255Y hIL-7R的细胞在添加配体后没有检测到点状细胞的增加（图5B-D），这表明阻止TMD异二聚化减少了配体诱导的受体聚集。

通过STAT5磷酸化的免疫印迹分析表明， I273Y或L255Y突变均可完全消除信号传导（图5E、F）。同样，破坏TMD异源二聚体界面的IL-9R突变 (L282Y) 也会消除信号传导，而远离异源二聚体界面的突变 (T284Y) 对信号传导没有影响。因此，由“插销进孔”机制介导的受体TMDs的异源相互作用对于配体诱导的IL-7R和IL-9R信号传导至关重要。此外，这种机制可能适用于γc家族的其他成员。

图 5 特异性TMD异二聚化是配体诱导的IL-7R信号传递所必需的

总的来说，本项研究利用核磁共振光谱和功能突变法对两个ILR进行研究，显示了连接胞外域和细胞内信号传导区域的跨膜结构域在信号传导中也起着积极作用。研究者进一步表明，γc跨膜区域可以通过保守的“插销进孔”机制特异性识别γc受体家族中各种ILR跨膜区域。该发现为构建跨膜域提供了一个概念框架，以调节γc家族受体的活性，潜在地解决与这些跨膜域相关的功能增强或功能丧失的疾病突变。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/

science.add1219

参考文献

参考文献

[1] W. J. Leonard, Cytokines and immunodeficiency diseases. Nat. Rev. Immunol.1, 200–208 (2001).

[2] R. Spolski, W. J. Leonard, Interleukin-21: Basic biology and implications for cancer and autoimmunity. Annu. Rev. Immunol.26, 57–79 (2008).

[3] X. Wang, M. Rickert, K. C. Garcia, Structure of the quaternary complex of interleukin-2 with its α, β, and γ_c receptors. Science310, 1159–1163 (2005).

[4] X. Wang, M. Rickert, K. C. Garcia, Structure of the quaternary complex of interleukin-2 with its α, β, and γ_c receptors. Science310, 1159–1163 (2005).

供稿 | 肖媛

审稿 | 谭佳鑫

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

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