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免疫球蛋白超家族相互作用组学研究

细胞膜是细胞质和细胞外环境之间重要的生物接触面,细胞表面受体是细胞间通讯及细胞与外环境交流的调节器。近期研究预测人类基因组中有3000多个基因编码膜蛋白【1】,细胞表面受体在生理性和病理性信号中具有重要作用。由于其功能和在细胞膜上容易接触等特征,细胞表面受体家族是以蛋白质为靶标的治疗方式的最佳目标。很多研究为模式生物或病原体与宿主之间复杂的蛋白质互作网络提供了基本的见解,甚至涉及到人体中蛋白质互作组学研究。但是细胞表面蛋白的互作组学研究目前还有所欠缺。

2020年6月25日,来自美国Genentech公司的Nadia Martinez-MartinCell杂志上发表文章The Immunoglobulin Superfamily Receptome Defines Cancer-Relevant Networks Associated with Clinical Outcome,利用前期开发的高通量检测人类单跨膜(STM)蛋白库中受体-配体互作的技术【2】,对445个免疫球蛋白超家族(IgSF)成员的细胞外互作网络进行研究。鉴定出557个高可信度相互作用,其中82%是全新的发现,并且通过正交实验确定了60多个受体-配体互作。同时揭示出肿瘤中细胞类型特异性相互作用及受体-配体互作失调的状况。在一组接受抗PD-L1治疗的癌症患者中评估IgSF互作组学研究,发现相互作用的蛋白质与CD8+ T效应细胞功能相关,并且蛋白质互作特征与治疗是否响应高度相关。

免疫球蛋白超家族相互作用组学研究

为了探索IgSF与STM受体之间的相互作用关系,研究人员构建了包含445个人类蛋白的STM受体库,其中365个蛋白含有至少一个IgSF结构域。同时使用PD-1/PDCD1、PD-L2/PDCD1LG2作为阳性对照,验证了该平台的灵敏度和稳定性。经过实验和计算,在440个独特的IgSF和STM蛋白之间预测到577个高置信度的相互作用,构成“IgSF相互作用组”。如果以“节点”代表细胞外蛋白,“边缘”代表它们之间的相互作用,那么IgSF相互作用组网络平均每个节点有2-3个邻居,这表明网络是由具有密集内部连接和稀疏但相关互连的模块化组件构成。IgSF相互作用组包含了105中已知蛋白互作配对,和472种未被报道的互作。

免疫球蛋白超家族相互作用组学研究

综合分析健康组织中基因表达和IgSF相互作用组,对假说“具有紧密的功能连接的模块更可能共表达”进行验证,发现具有相互作用关系的蛋白对的全局组织表达相关系数显著高于没有相互作用关系的蛋白对。据此将IgSF相互作用组进行功能模块分析,观察到连接蛋白受体、semaphorin/plexin家族等相当数量的紧密连接的模块。进一步分析显示,互作蛋白对的表达相关性显著增加,是由选择性的相互作用和/或特定组织环境中选定的相互作用所驱动的。在前5%中,许多已知的互作蛋白对主要是在特定组织中具有相关性;很多新鉴定的蛋白对也显示出强烈的组织依赖性相关。利用四聚体、免疫共沉淀等实验验证了IgSF预测的相互作用可以在细胞水平上发生。利用表面等离子体共振(SPR)对蛋白间相互作用对60多个受体-配体互作进行验证,其中包括EPHA3和PD-L1、CEACAM4和PD-L2等互作。值得注意的是,阻断PD-1/PD-L1轴的抗体atezolizumab,与EPHA3具有竞争性关系。

随后,研究人员对PTPR家族为中心的模块进行研究。PTPR家族是最大的表达受体蛋白酪氨酸磷酸酶家族,IgSF相互作用组显示PTPR家族成员与四个不同的神经系统相关蛋白家族之间具有紧密连接。在细胞表面表达PTPR家族成员PTPRD、PTPRS、PTPRF,检测与假定的互作蛋白的结合,结果验证了SLITRK3和PTPRD、PTPRS,LFRN5、IL1RAP和PTPRD、PTPRS、PTPRF之间的特异性互作。这种互作在SPR、免疫共沉淀等方法中得到验证。肿瘤中PTPRD蛋白的遗传突变是非常普遍的,那么会对互作网络有影响吗?收集14种胞外段突变,包含蛋白酪氨酸磷酸酶结构域、免疫球蛋白(IG)和纤维连接蛋白结构域(FN),FN结构域的突变对PTPRD相互作用没有明显的影响,而IG结构域突变影响较为显著。有趣的是,与ILRAP家族成员的结合几乎没有受到突变的影响,除了IG1和IG2结构域的突变;而几乎所有的突变都影响LRRC4B的结合。并且,肿瘤中特定突变选择性地影响PTPRD与特定家族成员的结合。肿瘤中,超过90%的IgSF基因显著地差异性表达,而且互作蛋白的基因表达具有相关性。比如,PTPR家族成员等相互作用蛋白在几乎所有肿瘤中共同被下调,CTLA4/CD80、PD-1/PD-L1等互作蛋白共同被上调。

最后,研究人员就新鉴定的受体-配体互作网络对肿瘤免疫检查点治疗结果的相关性进行研究。在298名接受PD-L1阻断抗体Atezolizumab单抗治疗的转移性尿路上皮癌患者中检测IgSF相互作用组,并结合转录组进行分析。IgSF相互作用组的亚群与肿瘤的免疫热性、冷性或免疫排斥性表型有较强的相关性(根据CD8+ T效应细胞特征和TGF-β特征进行分型)。例如,PD-1/PD-L1, CTLA4/ CD80、CD28/CD86、 CD47/SIRPA、PD-L1/EPHA3、PD-L2/CEACAM4、LILRB4/CNTFR、LILRB1/EDAR、LILRB1/IL6R等与免疫热性的肿瘤相关;细胞粘附分子家族主要与免疫冷性肿瘤相关。此外,约80种蛋白相互作用与临床结果改善或加重具有相关性,例如CD80/PD-1互作、LRRC4B与特异性丁基丙氨酸成员的互作与病人对Atezolizumab响应具有相关性;而semaphorin/plexin、特异性PTPRD调节子的互作与较差的响应性相关。在预测临床结果时,编码相互作用蛋白的基因对显示出协同效应,如相比于EFNB1自身,EFNB1与相互作用蛋白ECV2、AQPEP、EPHB6共同表达时,与非响应者之间的相关性更高;EFNB1/ECV2共表达与预后较差具有显著相关性。

免疫球蛋白超家族相互作用组学研究

总的来说,该研究提供了检测IgSF相互作用组学研究的平台,并揭示出IgSF相互作用组与肿瘤治疗、预后等相关性。研究提供了促进生物学发现的重要资源,也为理解体内平衡和疾病过程中细胞表面蛋白作用的框架,为治疗方法的发展提供了相关信息。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.06.007

1. Thul, P.J., Akesson, L., Wiking, M., Mahdessian, D., Geladaki, A., Ait Blal, H., Alm, T., Asplund, A., Bjo ̈ rk, L., Breckels, L.M., et al. (2017). A subcellular map of the human proteome. Science 356, eaal3321.

2. Martinez-Martin, N., Marcandalli, J., Huang, C.S., Arthur, C.P., Perotti, M., Fo- glierini, M., Ho, H., Dosey, A.M., Shriver, S., Payandeh, J., et al. (2018). An Un- biased Screen for Human Cytomegalovirus Identifies Neuropilin-2 as a Central Viral Receptor. Cell 174, 1158–1171.

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