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为解决视神经脊髓炎（NMO）治疗和诊断难题，研究人员开展 AQP4 与患者来源自身抗体 Fab 片段结合结构研究，明确结合模式，为疗法和诊断发展提供依据。
视神经脊髓炎（Neuromyelitis optica，NMO），这个名字或许听起来有些陌生，但它却是一种严重威胁人类健康的自身免疫性疾病，如同隐藏在神经系统中的 “暗箭”。NMO 主要侵袭中枢神经系统（Central nervous system，CNS），患者的生活往往因此陷入痛苦的深渊。想象一下，视力急剧下降，甚至失明，肢体无力、麻木，连最基本的行走、生活自理都成了奢望，这就是 NMO 患者正在经历的困境。
在 NMO 的发病机制中，致病性自身抗体起着关键作用。这些自身抗体就像 “叛变” 的士兵，将目标对准了人体星形胶质细胞上的水通道蛋白 4（Aquaporin - 4，AQP4）。当它们与 AQP4 结合后，一系列 “破坏行动” 便开始了。通过补体依赖和非依赖的细胞毒性作用，最终导致星形胶质细胞死亡、髓鞘脱失和神经元丢失，让神经系统遭受重创。目前针对 NMO 的治疗手段并不理想，现有的治疗策略常常伴随着严重的短期和长期不良事件，就像在治疗疾病的同时，又带来了新的 “敌人”，这使得 NMO 的治疗陷入了困境。
为了突破这一困境，来自美国斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute）的研究人员勇挑重担，开展了一项极具意义的研究。他们深入探究 AQP4 与患者来源的 NMO 自身抗体 Fab 片段的结合结构，试图从分子层面揭开 NMO 发病的神秘面纱。这项研究成果意义非凡，为推动 NMO 的治疗和诊断发展提供了至关重要的结构基础，就像为黑暗中的探索者点亮了一盏明灯。该研究成果发表在《Science Advances》期刊上。
研究人员在此次研究中运用了多种先进技术。冷冻电镜（Cryo - electron microscopy，Cryo - EM）技术，就像是为研究人员提供了一台微观世界的 “超级显微镜”，让他们能够直接观察到 AQP4 和 Fab 片段的分子结构。通过生物层干涉技术（Biolayer interferometry，BLI），可以精准地测定结合亲和力，为研究两者的相互作用提供了量化的数据支持。免疫细胞化学等技术也被巧妙运用，从不同角度对研究对象进行分析。研究样本来自 AQP4 - IgG 血清阳性患者的脑脊液浆母细胞，这些样本成为了打开 NMO 奥秘之门的关键 “钥匙”。
下面让我们深入了解一下具体的研究结果：
- 人 AQP4 在脂质纳米圆盘（nanodiscs）中的冷冻电镜结构：研究人员将 AQP4 M1 亚型纯化并重组到脂质纳米圆盘中，利用冷冻电镜测定其结构至 2.1 ? 分辨率。该结构与之前通过 X 射线衍射得到的晶体结构相似，但此次研究使用的是全长蛋白，且未经过胰蛋白酶处理，更接近天然状态。在这个结构中，清晰地展示了 AQP4 的三个细胞外环（loop A、C、E），它们正是 AQP4 - IgGs 的结合位点。loop A 结构稳定且延伸最远，loop C 最长并呈现出两个不同的表位，loop E 最短且最靠近膜表面。同时，还明确了水通道中氢键连接的水分子排列以及关键氨基酸残基与水的相互作用。
- Fab 与 AQP4 的结合：研究人员重点研究了两类 Fab，一类与 M1 四聚体和 M23 OAP 阵列结合能力相当，另一类则与 OAPs 结合更紧密。以 rAb58 和 rAb186 为例，rAb58 对 M23 OAPs 和 M1 四聚体的结合差异不显著，而 rAb186 与 M23 OAPs 的结合能力比 M1 四聚体强约 55 倍。通过生物层干涉技术确认结合亲和力后，利用冷冻电镜确定了它们的结构和结合相互作用。
- Fab58 与 AQP4 四聚体的结合：冷冻电镜图像显示每个 AQP4 四聚体仅结合一个 Fab58。其 3D 结构表明，Fab58 结合在单个四聚体中两个相邻单体之间的复合表位上，这种结合不会阻碍水进入通道。Fab58 与 loop A、loop C 的特定残基相互作用，形成了多种氢键和阳离子 - π 相互作用，突变实验也证实了这些相互作用的重要性。
- 多个 Fab186 分子与 AQP4 四聚体的相互作用：Fab186 与 M1 四聚体结合的冷冻电镜结构显示，它主要与一个单体的 loop C 远端部分和相邻单体的 loop C 近端区域相互作用。Fab186 有两个延伸环，其中一个与 AQP4 的 H151/L154 相互作用，解释了其对远端 C - loop 突变的敏感性。冷冻电镜图像还显示每个 AQP4 四聚体最多可结合四个 Fab186，且结合角度和方向与 Fab58 不同，这表明 rAb186 - AQP4 可能与 OAPs 中的相邻四聚体有额外接触。
- rAb186 与 AQP4 OAP 阵列结合的建模：由于 rAb186 与 M23 OAPs 结合比 M1 四聚体紧密得多，研究人员对其结合进行建模。基于已知的 OAP 结构，模拟了 AQP4 四聚体的相对位置，发现 rAb186 的重链（HC）可与相邻四聚体的 loop A 和 loop C 关键残基相互作用，如 S15、T70 和 S85 与 K64、S140 和 N153 等，这些相互作用为 rAb186 与 OAPs 的紧密结合提供了解释。
在研究结论和讨论部分，研究人员通过高分辨率的冷冻电镜结构，清晰地揭示了 AQP4 与自身抗体 Fab 片段的结合模式。无论是 Fab58 还是 Fab186，它们与目标表位结合时，AQP4 的构象变化极小，这表明这些抗体是特异性地结合结构化的目标表位。而且，抗体的结合并不会影响 AQP4 的水通道功能，NMO 症状的产生更可能是由于 AQP4 的内化。对于 rAb186 与 OAPs 的紧密结合，研究人员从多个角度进行了解释，包括额外的氢键形成、溶剂可及表面积的减少以及静电互补等。
这项研究为 NMO 的治疗和诊断带来了新的希望。明确的结合结构为设计小分子、肽或蛋白质抑制剂提供了模板，有望通过直接竞争抗体结合或改变 AQP4 表位结构，阻断血清 AQP4 - IgG 的结合，从而减轻 NMO 患者的损伤和神经功能障碍。同时，研究也让我们对 AQP4 的结构和功能有了更深入的认识，为未来开发更精准、更有效的 NMO 治疗方法奠定了坚实基础。相信在这些研究成果的推动下，NMO 患者的未来将充满更多希望，终有一天，他们能够摆脱疾病的困扰，重获健康。
