首个自身免疫脑炎患者的致病性抗体与GABAA受体作用的结构研究
撰文 | Qi
当身体的T细胞或抗体攻击自身抗原时就会出现自身免疫，触发因素可能源于环境，也可能是肿瘤等内部因素。尽管针对多种组织的自身抗体已经研究了几十年，但抗神经元抗体直接介导的疾病研究仍处于初期，直到2007年才报道了第一例抗NMDA受体脑炎【1】。自身免疫性脑炎的特征是严重和急性发作的症状，包括难治性癫痫发作、运动障碍、意识障碍和自主神经功能障碍等，相关的抗神经元靶点包括离子型和代谢型谷氨酸受体、多巴胺受体以及代谢型和离子型γ-氨基丁酸受体（包含GABAB和GABAA）等。
其中，GABAA形成阴离子选择性通道，发挥抑制神经元兴奋性的作用，通常为由19个亚基组装而成的异聚体，突触处最常见的亚型包括两个α1亚基、两个β亚基和一个γ2亚基，围绕离子孔呈对称或近乎对称的方式排列【2】。神经递质GABA在β-α亚基界面处与细胞外结构域（ECD）结合，从而触发构象变化，打开由跨膜结构域（TMD）的第二螺旋（M2）形成的离子通道。当GABA浓度降低时，GABA解离，通道返回到静止的可激活状态。阻碍这种抑制性受体会导致神经系统过度兴奋，从而导致焦虑、癫痫发作、紧张症和死亡。虽然已经确定了该靶点相关的抗体，但关于它们如何调节功能的结构细节仍不清楚。
2022年7月7日，来自美国德克萨斯大学西南医学中心的Ryan E. Hibbs团队和来自德国神经退行性疾病研究中心（DZNE）的Harald Pruss团队在Cell杂志上合作发表了一篇题为Structural mechanisms of GABAA receptor autoimmune encephalitis的文章，他们确定了源自脑炎患者的、与GABAA受体结合的抗体的低温电子显微镜结构，揭示了导致人类自身免疫性脑炎的GABAA抑制和病理机制。
研究人员首先测试了源自患者的抗体与纯化的α1β2γ2 GABAA受体的结合能力，在五种中选择mAb115和mAb175的Fab片段用于后续研究。需要注意的是，对于不同形式的自身免疫性脑炎，自身抗体的致病机制主要归因于靶受体聚集和内化【3】，与此相反，这些抗体虽然能直接抑制GABAA受体功能，但不会引起其内化，那么抑制机制是什么呢？作者将重组受体与Fab115共孵育，通过cryo-EM对结构进行解析，结果显示Fab115结合在ECD中的两个β-α亚基界面，且Fab重链的CDR3穿透神经递质结合口袋并接触已知会影响激动剂结合的保守残基，VH CDR3的R105与β2和α1亚基上的几个残基产生静电和阳离子-π相互作用（图1），这些结构解析表明mAb115的选择性和对受体的亲和力。
图1. 与突触GABAA受体结合的脑炎相关自身抗体
GABAA受体的α-γ界面形成了一类调节性GABAA苯二氮卓类药物（抗焦虑、镇静催眠药）的结合位点，也是一类内源性调节剂（endozepines）的重要结合位点【3, 4】。随后，作者获取了Fab175: GABAA复合物的结构，Fab175以类似于Fab115的方式，大部分表面积与α1亚基接触。Fab175VH包含的M103埋入由α1:γ2界面两侧的残基组成的疏水袋中，位于苯二氮卓位点上方，而Fab175VL停靠在α1亚基的Loop C（覆盖受体的苯二氮卓结合口袋）上。该VL附着位点以GABAA受体的α1 R164为中心，形成连接两种蛋白质的五种静电相互作用网络。
基于上述结构基础，作者将两种自身抗体复合物与单独的GABA受体复合物进行比较。其中，Fab115通过直接相互作用将神经递质位点Loop C稳定在β-α界面处的开放构象中，类似于存在竞争性拮抗剂时的构象，不同的是Fab175在结合位点表现出与GABA一致的密度，但通过楔入ECD上部的α1和γ2亚基的方式阻止GABA引起的Loop C闭合所触发的ECD收缩。通过对神经元的电生理研究发现，Fab115能直接抑制GABA激活的电流，而Fab175对GABA活性没有显著抑制，但把它注射到小鼠的中枢神经系统后依然会引起自发性癫痫事件【5】。根据结构信息，Fab175通过与苯二氮卓位点附近的α-γ界面结合，可以影响在那里作用的调节剂的活性，于是作者测试了Fab175对地西泮对GABA增强作用的影响，并发现Fab175以浓度依赖性方式抑制地西泮增强GABA活性。因此，这些结果表明了稳定离子通道静息状态的Fab115的直接竞争机制和Fab175的变构拮抗机制。
迄今为止，还没有关于来自患者的致病自身抗体如何作用于其神经递质-受体靶标的结构研究。这项工作确定了两个患者来源的致病性抗体片段与GABAA受体结合的结构信息，揭示了两种抗体如何在不同的亚基界面结合以干扰受体功能。这些结构分析与电生理测量相结合，为自身免疫抗体直接和变构拮抗抑制性神经传递提供了机制，并可以在原子水平上解释GABAA受体相关脑炎患者的临床症状。
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.025
制版人：十一
参考文献
1. Dalmau, J., Tu¨ zu¨ n, E., Wu, H.Y., Masjuan, J., Rossi, J.E., Voloschin, A., Baehring, J.M., Shimazaki, H., Koide, R., King, D., et al. (2007). Paraneoplastic antiN-methyl D-aspartate receptor encephalitis associated with ovarian teratoma.Ann. Neurol. 61, 25–36.
2. Nutt, D.J., and Malizia, A.L. (2001). New insights into the role of the GABA(A)-benzodiazepine receptor in psychiatric disorder.Br. J. Psychiatry179, 390–396.
3. Sigel, E., and Ernst, M. (2018). The benzodiazepine binding sites of GABAA receptors.Trends Pharmacol. Sci.39, 659–671.
4. Tonon, M.C., Vaudry, H., Chuquet, J., Guillebaud, F., Fan, J., MasmoudiKouki, O., Vaudry, D., Lanfray, D., Morin, F., Prevot, V., et al. (2020). Endozepines and their receptors: structure, functions and pathophysiological significance.Pharmacol. Ther. 208, 107386.
5. Kreye, J., Wright, S.K., van Casteren, A., Sto¨ ffler, L., Machule, M.L., Reincke, S.M., Nikolaus, M., van Hoof, S., Sanchez-Sendin, E., Homeyer, M.A., et al. (2021). Encephalitis patient-derived monoclonal GABAA receptor antibodies cause epileptic seizures.J. Exp. Med.218, e20210012.
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