高福院士团队破解恶性疟原虫与宿主共进化的博弈机制 | Cell Press对话科学家

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2021年8月24日，中国科学院高福院士团队在Cell Reports杂志上发表了题为“Structural basis of malarial parasite RIFIN-mediated immune escape against LAIR1”的文章，从分子水平阐释了恶性疟原虫RIFIN蛋白与宿主免疫抑制性受体LAIR1分子的相互作用机制，揭示了恶性疟原虫免疫逃逸的分子机制以及宿主的反制策略，为抗疟疾药物的开发及疫苗设计提供了理论依据。

Cell Press细胞出版社微信公众号邀请论文作者对该研究进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。

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疟疾是一种由疟原虫引起，经雌性按蚊叮咬传播的虫媒传染病。据WHO统计，2019年全球有2.29亿病例，死亡人数高达40.9万。其感染主要表现为寒战、发热、贫血等临床症状，严重时导致死亡，是严重威胁人类健康的一种疾病。目前发现有六种疟原虫可致人类疾病，其中恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）是致死性最高、造成恶性疟疾的致病疟原虫。

恶性疟原虫感染红细胞后可表达多种蛋白如PfEMP1、STEVOR和RIFIN等，这些蛋白表达到红细胞表面，帮助疟原虫逃避宿主的免疫监视。近年来有研究在疟疾患者体内分离到含有LAIR1胞外段片段插入的公共抗体（Public antibody），这类抗体通过插入的LAIR1片段（LAIR1_Ab）识别被感染红细胞表面表达的RIFIN蛋白。插入的LAIR1_Ab片段均出现不同突变。LAIR1是一种在NK细胞、T细胞等多种免疫细胞表面表达的免疫抑制性受体。RIFIN蛋白是目前已知的恶性疟原虫中最大的多变抗原家族，每个疟原虫基因组编码150-200个rif基因。这些RIFIN成员如何与LAIR1结合，而有LAIR1_Ab片段插入的抗体如何发挥作用是亟待解决的科学问题。

图1 RIFIN蛋白三维晶体结构

研究团队通过解析RIFIN的单体结构以及两个RIFIN成员与LAIR1/LAIR1_Ab的复合物结构，系统研究了RIFIN-LAIR1相互作用介导的恶性疟原虫免疫逃逸机制及宿主的反制策略。RIFIN蛋白胞外段由保守区（Conserved region, CR）和可变区（Variable region，VR）组成，研究发现其通过可变区识别LAIR1，可变区形成以α螺旋和柔性区为主的类似瞭望塔的结构，利用顶部的两个柔性loop和一个α螺旋与LAIR1结合。两个RIFIN成员均靶向LAIR1上相似的结合区域，但结合的角度不同，表明RIFIN不同成员由于序列多样性具有很强的结构可塑性（图2）。研究进一步比较了RIFIN与LAIR1或LAIR1_Ab的相互作用细节，揭示了抗体插入的LAIR1_Ab突变增强亲和力的分子机制。有意思的是，RIFIN与LAIR1的结合位点与LAIR1与其天然配体胶原蛋白（Collagen）的结合位点部分重叠，表明RIFIN可能通过模拟胶原蛋白与LAIR1结合进而抑制免疫细胞的功能。

图2 两个RIFIN成员从不同角度结合LAIR1

此外，有研究报道另一种免疫抑制受体LILRB1也可与被感染红细胞表面表达的RIFIN蛋白结合，从而抑制免疫细胞的功能。比较发现，RIFIN成员使用不同的结合位点与LAIR1或者LILRB1进行结合，这一现象进一步表明RIFIN家族成员的多样性。

图3 LAIR1_Ab插入的公共抗体可阻断RIFIN介导的免疫逃逸

另外，研究通过LAIR1-NFAT-GFP报告系统发现RIFIN-LAIR1相互作用可引起LAIR1受体下游的信号活化，而有LAIR1_Ab插入的公共抗体，如MGD21、MGM5，可阻断RIFIN引起的LAIR1下游信号的活化，这揭示了疟原虫利用RIFIN蛋白和免疫抑制性受体LAIR1相互作用从而实现免疫逃逸，相反，为了应对疟原虫的感染，宿主产生有LAIR1_Ab插入的公共抗体阻断RIFIN-LAIR1相互作用。

综上，此研究揭示了恶性疟原虫利用被感染红细胞表面的RIFIN蛋白调节宿主免疫细胞功能，阐明了恶性疟原虫的免疫逃逸机制，以及宿主产生公共抗体的免疫反制机制，揭示了疟原虫与宿主在长期进化过程中产生的基于RIFIN-LAIR1的博弈机制（图4）。

图4. 疟原虫与宿主基于RIFIN-LAIR1共进化的博弈机制

中国科学院北京生命科学研究院博士生解艺佳及存济医学院博士生李昕为本文的并列第一作者，高福院士、中国科学院微生物研究所齐建勋研究员和中国科学院北京生命科学研究院宋豪副研究员为论文共同通讯作者。本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项项目、国家科技重大专项以及中科院青促会等经费的支持。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文共同通讯作者宋豪副研究员进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

疟疾是影响人类健康的最具破坏性的疾病之一，其中恶性疟原虫危害最大。请问疟原虫重复散布多肽家族（RIFINs）有何特点，使其可能成为潜在的保护性免疫靶点？

宋豪副研究员：

RIFIN家族是目前已知的恶性疟原虫中最大的多变抗原家族，每个疟原虫基因组编码150-200个rif基因。然而人们对于RIFIN的研究并不深入，RIFIN的结构信息与功能特性皆不甚清楚。有报道称有些RIFIN成员通过参与被感染红细胞和未感染红细胞的黏附聚集及形成玫瑰花环来逃避清除，在重症疟疾的发展过程中发挥作用。近年来有研究在疟疾患者体内分离到含有LAIR1胞外段片段插入的公共抗体，这类抗体通过插入的LAIR1片段（LAIR1_Ab）识别被感染红细胞表面表达的RIFIN蛋白。插入的LAIR1_Ab片段均出现不同突变。这些抗体可以富集被感染的红细胞，介导单核细胞对被感染红细胞的吞噬作用，也可以促进NK细胞对被感染红细胞的杀伤作用从而抑制恶性疟原虫的生长。此外，有报道发现有些RIFIN分子可以结合免疫抑制受体LILRB1，进而抑制免疫细胞功能。这些报道都提示RIFIN与恶性疟原虫的免疫逃逸相关。此外，除了在患者体内分离到这类通过插入LAIR1_Ab识别RIFIN的公共抗体，RIFIN本身也会诱导机体产生抗体。因此，RIFIN有可能成为潜在的保护性免疫靶点。

CellPress：

请问LAIR1在恶性疟原虫的免疫逃逸中扮演怎样的角色？

宋豪副研究员：

LAIR1是一种在多种免疫细胞诸如NK细胞、巨噬细胞、T细胞表达的免疫抑制性受体。我们在本研究中用NFAT-GFP报告系统证实了RIFIN-LAIR1相互作用可以引起LAIR1受体下游的信号活化，这表明在疟原虫与宿主长期的进化过程中，部分RIFIN成员获得了结合LAIR1的能力，从而向免疫细胞传递抑制信号，帮助感染红细胞逃避被清除的命运。值得一提的是，我们这项工作发现之前认为只结合LAIR1_Ab而不结合LAIR1的RIFINs实际也结合LAIR1，只是亲和力偏低，表明RIFIN-LAIR1相互作用是恶性疟原虫免疫逃逸的一种方式。有意思的是，机体也进化出了反制免疫应答，在有些患者体内，产生了LAIR1_Ab插入的公共抗体，这些抗体如MGD21、MGM5等可以阻断RIFIN引起的LAIR1下游信号的活化。我们的研究结果表明疟原虫利用RIFIN蛋白和免疫抑制性受体LAIR1的相互作用抑制免疫细胞的功能从而实现免疫逃逸，而反过来为了应对疟原虫的感染，宿主产生有LAIR1_Ab插入的公共抗体来阻断RIFIN-LAIR1相互作用进而保护机体。

CellPress：

请问与LAIR1结合的RIFIN结构有何特点？RIFINs可以使用不同的结合位点与LAIR1或LILRB1结合，这说明了什么？

宋豪副研究员：

在本研究中，我们解析了两个RIFIN成员和LAIR1/LAIR1_Ab的复合物结构，发现尽管两个RIFIN成员可变区的氨基酸序列差异性很大，但是都具有同样的拓扑结构，都是以α螺旋为主、多个loop连接的类似瞭望塔的结构，RIFIN利用顶部的两个柔性loop和一个α螺旋与LAIR1结合。尽管如此，两个RIFIN成员结合LAIR1的角度不同，表明RIFIN不同成员具有很强的结构可塑性。此外，比较发现，RIFIN成员使用完全不同的结合面与LAIR1或者LILRB1结合，这一现象表明RIFIN家族成员的多样性，RIFIN成员可以特异性地结合免疫抑制性受体LAIR1或者LILRB1，通过不同途径来实现恶性疟原虫的免疫逃逸。尽管如此，我们对RIFIN家族的认识仍然很有限，大部分RIFIN成员既不结合LAIR1也不结合LILRB1，它们是否结合其它宿主蛋白仍是需要继续探索的科学问题。

CellPress：

RIFINs在LAIR1介导的细胞信号传导中发挥怎样的功能？

宋豪副研究员：

在本研究中，我们首先解析了RIFIN-LAIR1的复合物结构，通过分析比较发现，RIFIN与LAIR1的结合位点与LAIR1与其天然配体胶原蛋白（Collagen）的结合位点部分重叠，表明RIFIN可能通过模拟胶原蛋白与LAIR1结合进而抑制免疫细胞的功能。然后我们通过NFAT-GFP报告系统证实了RIFIN可以作为LAIR1的配体引起LAIR1受体下游的信号活化，表明RIFIN可能会通过结合LAIR1受体抑制免疫细胞的功能。

CellPress：

请问本研究的成果能够为恶性疟原虫免疫逃逸机制的理解和疟疾疫苗及治疗性抗体的开发提供怎样的帮助？

宋豪副研究员：

本研究揭示了恶性疟原虫利用被感染红细胞表面的RIFIN蛋白调节宿主免疫细胞功能，阐明了恶性疟原虫的免疫逃逸机制，以及宿主产生公共抗体的免疫反制机制，揭示了疟原虫与宿主在长期进化过程中产生的基于RIFIN-LAIR1的博弈机制。本研究为针对恶性疟原虫生命周期不同阶段的多靶点免疫策略提供了新靶点，也为广谱的抗疟疾新型治疗性抗体研发提供了新思路。

作者介绍

解艺佳 

博士生

解艺佳，中国科学院北京生命科学研究院博士生，师从高福院士，主要从事病原宿主相互作用研究。

李昕

博士生

李昕，中国科学院存济医学院博士生，师从高福院士，主要从事病原微生物与免疫相关研究。

宋豪 

副研究员

宋豪，中国科学院北京生命科学研究院副研究员。长期从事重要病原的入侵与致病机制及防治新靶点发现研究，以第一或通讯作者（含共）在Cell、Science、Nature Structural & Molecular Biology、Nature Communications、EMBO Journal等国际SCI期刊发表多篇研究论文。参编著作3部。入选中国科学院青年创新促进会会员及中国科协“青年人才托举工程”。主持多项科研项目包括国家自然科学基金优青项目、国家自然科学基金面上项目等。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Structural basis of malarial parasite RIFIN-mediated immune escape against LAIR1

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)01038-X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109600

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