Front Immunol（IF 5.7）：IgG亚类与同种异型：从结构到效应功能

【引言】

免疫球蛋白G（IgG）是人体血清中最丰富的蛋白质之一，约占血浆蛋白的10–20%。在人体五大类免疫球蛋白（IgM、IgD、IgG、IgA和IgE）中，IgG是主要的类别。这些密切相关的糖蛋白由82–96%的蛋白质和4–18%的碳水化合物组成，它们在重链结构上存在差异，并具有不同的效应功能。IgG可以进一步细分为四个亚类，按含量从高到低依次为IgG1、IgG2、IgG3和IgG4。IgG亚类是在20世纪60年代通过大量使用特异性兔抗人IgG骨髓瘤蛋白血清进行研究后发现的。IgG亚类在结构和功能上的差异总结在表1中。尽管它们在氨基酸水平上的相似度超过90%，但每个亚类在抗原结合、免疫复合物形成、补体激活、效应细胞触发、半衰期和胎盘转运方面都有独特的特征。

此外，针对不同类型抗原的IgG抗体反应会导致明显偏向于某一亚类。选择性亚类缺乏通常不会对个体造成不利影响，但有时会导致对特定类别病原体的易感性增强。这可能是由于染色体14上Ig位点缺失导致的完全同种型或亚类缺乏，但这种情况很少见。更常见的是，健康个体中一种或多种IgG亚类水平（主要是IgG2和/或IgG4）低于正常范围，这有时会导致对荚膜细菌感染的免疫反应受损，如下文所述。总之，Ig位点内的获得性变异似乎在进化过程中选择了有益的变化，以优化或微调抗体介导的免疫反应。

IgG抗体反应

抗原进入人体的途径及其化学组成决定了（二次）免疫反应倾向于何种类型的类别转换模式。除了抗原本身直接触发B细胞外，还有许多次要信号会影响B细胞的分化，包括被模式识别受体（如Toll样受体）识别以及其他淋巴细胞和抗原呈递细胞产生的细胞因子。例如，蛋白质抗原通常通过B细胞表达的MHC II类分子触发接受T细胞辅助的B细胞。对于这些抗原，类别转换往往倾向于IgG1或IgG3，但也可以是IgG4或IgE。另一方面，在没有T细胞辅助的情况下，多糖抗原可能特别诱导类别转换为IgG2。在初次或二次免疫反应中经历类别转换的B细胞也可以经历后续的类别转换，但这些事件受到先前类别转换事件中未从基因组中切除的剩余重链基因可用性的限制。Cγ4基因盒的相对末端位置可能是IgG4反应往往发生在重复抗原暴露后的原因之一。

IgG1

针对可溶性蛋白抗原和膜蛋白的抗体反应主要诱导产生IgG1，但同时也伴有较低水平的其他亚类，主要是IgG3和IgG4。由于IgG1通常是含量最丰富的亚类，因此在多种原发性和继发性抗体缺乏症中观察到的IgG1缺乏，会导致总IgG水平降低（低丙种球蛋白血症）。IgG1缺乏症，有时与其他IgG亚类缺乏症同时存在，与反复感染有关。

IgG2

针对细菌荚膜多糖抗原的免疫球蛋白G（IgG）抗体反应几乎完全局限于IgG2，IgG2缺乏可能导致IgG抗碳水化合物抗体几乎完全缺失，尽管这些反应也可以通过其他IgG亚类水平升高来补偿，尤其是IgG1和IgG3水平升高。IgG2缺乏与对某些细菌感染的易感性增加有关，这表明IgG2在对抗这些病原体的防御中发挥作用。IgG2浓度降低通常与IgG4和/或IgA1及IgA2缺乏同时出现。对静脉注射免疫球蛋白中的抗碳水化合物反应性的广泛分析显示，尽管IgG2确实是对许多糖类的反应性的主要组成部分，但并非总是如此。也有报道称，在自然感染期间，针对流感嗜血杆菌b型多糖的抗体主要是IgG1。在健康个体的正常免疫反应中，也可以观察到IgG1和IgG3的反应，特别是在对抗第二代肺炎球菌疫苗时出现的针对蛋白质偶联糖类的反应。

IgG3

IgG3抗体在诱导效应功能方面特别有效。作为一种强效的促炎抗体，其较短的半衰期可能有助于限制过度炎症反应的可能性。然而，一些携带G3m同种异型“s”或“15”标记（即G3m(s)/G3m(15)和G3m(st)/G3m(15,16)同种异型）的个体也具有半衰期延长的IgG3的发现，可能对这一假设提出了挑战。令人好奇的是，这些个体的IgG3水平似乎并未增加，这可以用γ3启动子多态性来解释，已知这种多态性会影响G3m(g)同种异型中类别转换为IgG3的频率，从而解释了大多数G3m(g)纯合子个体中IgG3浓度较低的原因。病毒感染通常会导致IgG1和IgG3亚类的IgG抗体产生，其中IgG3抗体在感染过程中首先出现。以IgG3为主的反应似乎很少见。一个有趣的例子是所谓的抗铰链区抗体，它们与Fab2片段的铰链区结合，但不与完整的IgG抗体结合。此外，针对P和Pk血型抗原的抗体主要限于IgG3。在输血和妊娠中观察到的针对其他红细胞抗原（如RhD）和血小板抗原（如人类血小板抗原1a）的反应，往往以IgG1、IgG3或两者都有为主。IgG3水平降低通常与其他IgG亚类缺乏症相关。

IgG4

除了IgE外，过敏原通常是IgG1和IgG4的良好诱导剂。IgG4抗体通常在非感染环境下，经过反复或长期暴露于抗原后形成，并可能成为主要的亚类。例如，长期养蜂人和接受免疫治疗的过敏患者。在免疫治疗中，症状的缓解似乎与IgG4的诱导相关。IL-10可能调节向IgG4的转换，从而将这一亚类与免疫反应的下调或耐受诱导联系起来。IgG4也可能是对治疗性蛋白（如凝血因子VIII和IX（33–35））以及至少某些重组抗体（如阿达木单抗（36））的免疫反应中的主要抗体亚类。此外，蠕虫或丝虫寄生虫感染可能导致IgG4抗体的形成，并且高IgG4滴度可能与无症状感染相关。

孤立的IgG4缺乏症很少见，其可能的后果尚不确定。另一方面，一类被称为IgG4相关性疾病（IgG4RD）的疾病，其特征是血清IgG4浓度升高和IgG4阳性浆细胞组织浸润，并可能影响多个器官。IgG4RD的范围广泛，包括自身免疫性胰腺炎（AIP）、米库利奇病、垂体炎、里德尔甲状腺炎、间质性肺炎、间质性肾炎、前列腺炎、淋巴结病、腹膜后纤维化、炎症性主动脉瘤和炎性假瘤患者。在AIP患者中，70%–80%的病例观察到血清IgG4升高（>1.4 g/L），10%的胰腺癌患者也观察到升高。然而，由于5%的正常人群也存在IgG4水平升高的情况，因此仅结合AIP的其他特征才适合用于诊断。

结构

与其他同型免疫球蛋白类似，免疫球蛋白G (IgG) 分子由四条多肽链组成，包括两条相同的50千道尔顿（kDa）γ型重链（H链）和两条相同的25千道尔顿（kDa）κ型或λ型轻链（L链），这些链通过链间二硫键连接在一起。每条重链都由一个N端可变区（VH）和三个恒定区（CH1、CH2、CH3）组成，CH1和CH2之间还有一个额外的“铰链区”（图1A）。同样，轻链由一个N端可变区（VL）和一个恒定区（CL）组成。轻链与VH和CH1区结合形成Fab段（“Fab”=抗原结合片段），在功能上，V区相互作用形成抗原结合区——该区域是通过可变区、多样性区（仅VH）和连接基因片段的不同组合以及体细胞突变的加入而获得的，尽管它们对抗原结合的相对贡献差异很大。两个重链-轻链异二聚体（HL）通过铰链区的二硫键和CH3区之间的非共价相互作用结合成一个抗体分子（H2L2）（图2A）。由铰链区下部和CH2/CH3区形成的抗体部分被称为“Fc”段（“晶状片段”）。

图1 | (A) 从两个不同的角度展示的人类IgG1分子（1HZH）的晶体结构，显示了两个Fab片段相对于彼此以及Fc尾部的灵活性。FcγR的结合位置（以1:1的比例非对称结合IgG），在左侧用蓝色圆圈（下铰链区，上CH2区）标出；FcRn、TRIM21的结合基序以及DC-SIGN潜在结合位点的位置在右侧（CH2和CH3的交汇处）。FcRn和DC-SIGN的潜在结合位点分别以2:1的比例与IgG结合，而TRIM21的二聚体则以1:1的比例与IgG结合。每个重链上第297位的N-连接糖苷在右侧显示。(B) 在第297位发现的N-连接糖苷可以作为核心结构存在，这是人类和啮齿类动物所有IgG所共有的（核心结构用红色虚线标出），但也可以在此基础上添加岩藻糖、平分型N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）、一个或两个半乳糖以及一个或两个唾液酸残基。

四种人类免疫球蛋白G（IgG）亚类的整体结构非常相似（图2A），但每个亚类之间都存在一些重要差异，这些差异会影响它们与辅助分子和受体的结合，进而影响其功能（见表1）。这四个亚类的氨基酸序列同源性超过90%，且差异并非随机分布。铰链区和N端CH2结构域的差异较大，而其他结构域的差异则较小。其中，关于CH1结构域内结构变异的功能后果（如果有的话）知之甚少。另一方面，形成Fc尾的CH2/CH3结构域的结构差异则研究得相对充分。

Fc部分CH2结构域中靠近铰链区的残基负责抗体的效应功能，因为它包含与先天免疫系统效应细胞上的C1q（补体）和IgG-Fc受体（FcγR）的大部分结合位点。

图2 | IgG亚类及其异构体的示意图。

（A）IgG亚类，显示了不同重链和轻链的连接方式、铰链的长度以及连接两条重链的二硫键数量。为了定位和与图1进行比较，图中标出了铰链、CH2和CH3结构域的位置。这里描绘了IgG2的经典A/A异构体，其两条重链之间有四个不同的二硫键，但在（B）中展示了只有两个二硫键且轻链与重链连接方式不同的B/B形式，以及中间的A/B形式。（C）IgG4的异构体导致半分子交换。在最左边和最右边，展示了刚从B细胞分泌出来的两个颜色略有不同的经典IgG4克隆。它们通过两个链间二硫键连接。然而，这些二硫键实际上处于平衡状态，当它们被还原时，会形成对称分子之间无共价连接的形式。这种形式要么可以恢复为共价连接的形式，要么在与相邻IgG4分子的随机过程中交换重链，形成不对称的双特异性IgG4（底部中间），这种双特异性IgG4也处于不断变化中，会恢复为共价连接的IgG4（顶部中间）。通过这一过程，大多数在人类中发现的IgG4（表达IgG4-R409同种型，更多详情见正文和图3）都是单价双特异性分子。

位于297位的N-连接糖基化位点高度保守，位于形成IgG分子Fc的两个CH2/CH3之间的界面（见图1A），它既负责Fc四级结构的微妙但重要的变化——使FcγR的结合位点更加暴露。如下文进一步讨论，这些聚糖也直接参与FcγR的结合，但也可通过N297聚糖的高度特异性修饰来调节这些相互作用——这些变化似乎在人类特定的免疫应答过程中受到调控。尽管这个糖基化位点通常被视为IgG中唯一的糖基化位点，但大约10%–15%抗体的V区也被糖基化。这些位点通常是通过VDJ重组或体细胞超突变产生的，且据报道，这种糖基化会影响抗原结合特性，并允许与调节性凝集素结合。这反过来又可以调节B细胞刺激所需的激活阈值，并已被描述为某些类型滤泡淋巴瘤中的正选择信号。

CH2–CH3结构域之间的界面还含有新生儿Fc受体（FcRn）的结合位点，该受体负责IgG的半衰期延长、胎盘转运以及IgG向黏膜表面和从黏膜表面的转运。该区域几乎没有变化，FcRn的结合也仅受到轻微影响，但IgG3可能除外，下文将进一步讨论。

然而，FcγR和C1q与不同IgG亚类的结合特性是相辅相成的（见表1）；每个IgG亚类都有其独特的模式，且已被详细研究。IgG亚类一级序列（Fc段和铰链区）的差异如何导致三级结构元素的变化，从而关键性地影响每个亚类的特性，是以下各节的主题。

铰链区的结构变异

铰链区在Fab臂和Fc部分之间形成了一个灵活的连接体。IgG亚类之间铰链区的长度和灵活性存在很大差异（图2）。这影响了Fab臂相对于Fc结构域以及彼此之间的可能构象。IgG1的铰链外显子包含15个氨基酸，且非常灵活。IgG2的铰链比IgG1短，有12个氨基酸残基。IgG2的下铰链区（实际上由CH2区编码）还有一个氨基酸缺失（缺少位于235-6位的双甘氨酸中的一个），导致IgG2具有所有IgG亚类中最短的铰链。此外，由于多脯氨酸螺旋（由多达四个额外的链间二硫键稳定，但下文会讨论一些例外情况）的存在，IgG2的铰链甚至更加僵硬（图2）。这些特性限制了IgG2分子的灵活性。同样，IgG4的铰链区也包含12个氨基酸，因此比IgG1的铰链短。其灵活性介于IgG1和IgG2之间。与IgG2不同，IgG4在其下铰链区确实编码了CH2区编码的235-6位的甘氨酸（图3A）。

图3 | IgG亚类与IgG同种型。

（A）根据IgG同种型在基因图形表示下方的定位（编号），以及上方序列中所示的不同结构域和外显子，示意性地描绘了IgG同种型之间的所有差异。粗体下划线数字（EU编号）表示该位置存在同种异型变体。以粗体显示的氨基酸与其他亚类不同，而以斜体显示的氨基酸则存在于两个亚类中。绿色方框内的氨基酸编号是与C1q结合的残基，红色为与FcγR结合的氨基酸，蓝色为与FcRn结合的残基。在IgG2中，以“-”代替氨基酸字母表示缺失的G236残基。（B）IgG1、IgG2和IgG4同种型中发现的氨基酸变异，以及（C）IgG3同种型之间的氨基酸变异。在（C）中，“+”或“-”表示存在或缺少两种IgG3铰链外显子（a和b）。对于（B，C），粗体氨基酸是亚类或同种型特有的，而下划线的同种异型变体表示该位置的氨基酸也存在于其他亚类中。右侧显示了独特的IMGT编号和代表性序列登录号。对于一些同种型，IMGT编号由几个不同的基因表示，但这些基因编码相同的假设蛋白质。

IgG3的铰链区比其他任何IgG亚类或人免疫球蛋白同种型都要长得多，大约是IgG1铰链的四倍，包含多达62个氨基酸（包括21个脯氨酸和11个半胱氨酸），形成一个灵活性有限的多脯氨酸螺旋。IgG3同种型之间铰链的确切长度有所不同，这显然表明IgG3比其他亚类经历了更多的进化辐射（见图3B、C），下文将对此进行讨论。在IgG3中，Fab片段与Fc片段相对较远，这使得分子具有更大的灵活性。IgG3这种长铰链是由于铰链外显子的重复造成的，在IgG1、IgG2和IgG4中，这一区域由一个外显子编码，但在IgG3中，这一区域最多可由四个外显子编码。其中一个外显子是所有IgG3同种型共有的，但它还含有1~3个同源的第二类IgG3铰链外显子拷贝（见图3C）。IgG3中延长的铰链也使其分子量高于其他亚类。铰链灵活性的差异影响着IgG抗体Fab臂和Fc尾部的相对方向和移动。

C1q和/或FcγR的结合位点可能会被Fab臂部分或完全遮蔽，从而影响IgG与这些分子的结合。就Fab臂相对于Fc的灵活性而言，亚类之间的差异如下：IgG3 > IgG1 > IgG4 > IgG2，这也反映了这些亚类与FcγR和C1q的相对结合能力，尽管这只能部分解释本综述中其他地方讨论的IgG亚类的各自活性。这种灵活性还会影响抗原结合能力和免疫复合物的形成。

链间二硫键

四个IgG亚类在铰链区的重链间二硫键数量上也存在差异（表1；图2A）。此外，IgG2和IgG4都存在多种异构体，其中铰链区的二硫键连接方式不同（见下文）。人IgG亚类之间的另一个结构差异是重链和轻链之间通过二硫键连接。这一二硫键将轻链的羧基末端半胱氨酸与CH1结构域中第220位（在IgG1中）或第131位（在IgG2、IgG3和IgG4中）的半胱氨酸相连（图2A）。这两个位置在空间上相邻，且重链和轻链之间这两种类型的连接在分子的基本结构和功能上似乎是保守的。

IgG2和IgG4的铰链异构体

在IgG2中，由于重链铰链区的半胱氨酸和轻链与重链之间形成二硫键的半胱氨酸之间以不同方式形成二硫键，因此观察到了结构性的铰链异构体（图2B）。这些异构体主要存在于具有κ轻链的IgG2抗体中，而在λ轻链中则较少见。主要形式包括经典A型（两个IgG2重链之间有四个二硫键）和B型（其中一个铰链半胱氨酸与轻链形成二硫键）。然而，还存在其他构型，因为这些异构体似乎彼此独立形成，从而产生A/A、B/B以及A/B异构体（图2A、B）。不同异构体的FcRn结合能力似乎没有差异。IgG2还被报道会形成共价二聚体，这可能被视为另一种异构体。

IgG4存在两种铰链半胱氨酸二硫键连接不同的异构体。IgG的核心铰链由CXXC基序形成，这种基序也存在于氧化还原反应性蛋白质中，如硫氧还蛋白。与具有相对刚性的CPPC基序的IgG1相比，IgG4具有CPSC核心铰链，其中位于226和229位的半胱氨酸之间更容易形成链内二硫键（图2C）。结果是，除了共价连接的链间异构体之外，还可观察到一定数量的非共价连接的半分子（由一个重链和一个轻链组成，即HL，与经典的H2L2构型相对）（图2C）。IgG4的S228P突变体（因此具有IgG1核心铰链）不会形成半分子，这与在IgG1中不存在这种物质的研究结果一致。该过程是可逆的，但取决于氧化还原条件。形成链内异构体（半分子）是“Fab臂交换”中的一个重要步骤。

IgG4的Fab臂交换

在体内，IgG4的半分子会与其他IgG4的半分子随机重组，结合两种IgG4分子的特异性，从而有效形成单价双特异性抗体（图2C），这一过程受氧化还原条件控制。IgG4核心铰链中独特的S228允许形成链内异构体，而R409（而非IgG1中相应的赖氨酸）导致CH3-CH3相互作用减弱（图3A）。这两个决定因素似乎都是在体内观察到Fab臂交换所必需的，并且在治疗性IgG4抗体那他珠单抗中也观察到了这一现象。其功能性后果至少有两方面。由此产生的IgG4抗体无法有效交联目标抗原。此外，对于双特异性抗体而言，无法实现多价目标结合，从而导致亲和力降低，尽管IgG4抗体的亲和力通常很高。结合以下观察结果：重复抗原暴露（如蜂毒）后IgG4反应似乎占主导地位，并且因为IgG4对激活型FcγR的亲和力低，而对抑制型FcγRIIb的亲和力相对较高（表1），这可以作为一种进化方式，防止对这些不构成感染性威胁的无菌抗原产生过度免疫反应。因此，IgG4被描述为“阻断抗体”，尤其是在过敏背景下，它可能与IgE竞争结合过敏原。

同种异型

除了同型变异外，IgG亚类之间还存在等位基因变异（图3）。免疫球蛋白的这些多态性表位在不同个体和种族之间可能存在差异，最初是基于血清学发现而确定的，因为在某些个体的IgG中发现了免疫原性决定簇，而在其他个体中则没有。随后，对等位基因变异进行了遗传分析，并确定了多种结构决定簇。在HLA分型出现之前，IgG中发现的大量多态性在亲子鉴定和法医学中非常有用。个体暴露于非自身同种异型可诱发抗同种异型反应，这可能发生在输血个体中，甚至在孕妇中也有报道。然而，并非IgG氨基酸序列中的所有变异都会导致免疫原性决定簇的产生，因为一些决定簇也存在于其他同型中，因此被称为同种异型变体（图3）。其他氨基酸序列变异可能出现在暴露程度最低的部位，因此可能不会形成可通过血清学鉴别的决定簇。因此，基于血清学的原始字母和数字命名系统（Gm或遗传标记，包括亚类命名，例如IgG1的G1m（81））并不能完全涵盖IgG亚类不同等位基因形式之间的结构变异。这对于IgG3尤其如此，IgG3显示出广泛的多态性，且通常是同种异型起源（图3C）。例如，非a或nG1m（a）决定簇（分别在356和358位的E和M）也可见于IgG2、IgG3和IgG4。因此，为了唯一地指代特定的多态性变体，建议使用IMGT等位基因名称，而不是字母或数字同种异型命名法（图3）。

IgG1的主要等位基因形式（图3B）是G1m（z，a）、G1m（f）和G1m（f，a）。G1m（f）等位基因仅见于高加索人，而G1m（f，a）等位基因在东方人中较为常见，但还描述了其他变体，如G1m（z，a，x）和G1m（z，a，v）。已知IgG2有多种等位基因形式，包括G2m（..）变体，它们与IgG4一起作为没有实际同种异型决定簇的IgG变体的例子，因为在这里，位于189和282位的氨基酸是同种异型的，也见于其他亚类（图3A、B）。对于IgG3，已知有多种等位基因形式，其中最重要的是编码图3C中所示的氨基酸变化的那些。

由于一些同种异型已被证明具有免疫原性，因此在开发治疗性抗体时可能需要考虑它们。使用治疗性单克隆抗体的治疗原则上也可能导致抗同种异型反应。然而，迄今为止，几乎没有发现针对显著抗同种异型反应的证据，例如阿达木单抗或英夫利昔单抗。除了IgG3外，没有发现导致功能不同抗体的同种异型变异，其中少数同种异型变体导致半衰期延长（在“FcRn”部分讨论）。此外，CH3结构域中的多种多态性会影响CH3-CH3结构域间相互作用，对于不同的IgG3同种异型变体，这些相互作用在数量级上存在差异，这可能对例如C1q结合等产生潜在影响（。有趣的是，个体的血浆IgG浓度似乎与Gm同种异型相关，这可能与导致同种异型本身的实际单核苷酸多态性（SNP）或沉默SNP有关，后者进而影响不利的密码子使用或改变影响转录的mRNA二级结构。此外，同种异型还可能通过非编码转换区域内的变异影响类别转换效率，从而影响血清浓度。这是因为这些启动子在实际类别转换之前会进行转录，并且在这些区域内发现的同种异型差异直接影响类别转换效率，解释了与G3m（b）相比，g3m（g）个体的IgG3水平较低的原因。

对于IgG4，已知不存在具有血清学重要性的同种异型，但已描述了同种异型变体。此外，还存在一种多态性变体（K409而非R409），它无法参与Fab臂交换。尚不清楚携带这种变体是否具有任何生物学后果（例如，因为这种IgG4类型与经典的单价IgG4类型相比可能能够交联抗原），因为显然较低的等位基因频率使得纯合子非常罕见，至少在西欧人群中如此。

总之，IgG中的大多数遗传变异具有远超最初血清学发现的潜在意义，因为非血清学重要的变异远远超过那些血清学重要的变异。然而，我们仍然不完全了解这些变异的程度，因为尚未使用现代技术重新研究这一点。这包括未知变体的数量、它们在不同种群内和种群间的出现频率。这可能对表达水平、半衰期、FcγR结合[抗体依赖的细胞介导的细胞毒性（ADCC）、抗体依赖的细胞吞噬作用（ADCP）]、形成寡聚体的倾向、激活补体以及影响免疫原性（再次是在不同种群内和种群间）产生功能影响，因此对抗体介导的免疫治疗具有重要影响。

糖基化

免疫球蛋白G（IgG）的重链第297位含有一个保守的糖苷。此外，大约10%～20%的抗原结合片段（Fab）在结合区具有N-糖基化位点。IgG糖苷的核心结构由N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）和甘露糖残基组成（见图1B）。该结构可进一步延伸为含有半乳糖、唾液酸、核心岩藻糖基化以及双分支GlcNAc的结构（见图1B）。在健康人血清中已发现数十种IgG-Fc糖基化形式，但其中只有少数是主要的糖基化形式（即一种岩藻糖基化类型，其可能不含半乳糖，或含有一个或两个半乳糖残基，或含有两个半乳糖和一个唾液酸残基，见图1B）。Fab糖苷和Fc糖苷在糖基化方面存在若干差异，其中最显著的是Fab糖苷中的双分支、半乳糖基化和唾液酸化水平明显升高（包括在Fc中几乎看不到的双唾液酸化），但岩藻糖基化水平降低（Fc约为94%，而Fab约为70%）。这在一定程度上是由于糖基转移酶和糖苷酶的可及性，与位于两条重链之间更隐蔽的保守位点相比，Fab位点通常更易接近（见图1A）。此外，糖基化水平还受B细胞中糖基转移酶可用性的控制。在多种健康和疾病状态下，已报告抗体中某些Fab和Fc糖基化形式的转变。这种转变可能通过影响糖基转移酶表达的表观遗传学因素而发生，而这些表观遗传学因素明显受多种因素的影响，包括年龄、妊娠、激素、细胞因子、细菌DNA和食物代谢产物，尽管B细胞中调节表达的完整作用机制仍有待确定。

如上所述，N297位糖苷的组成影响Fc的四聚体结构。糖苷与蛋白质骨架的相互作用使Fc稳定。Fc糖苷的添加使IgG-Fc呈现更开放的构象，从而能够与Fcγ受体（FcγR）结合。此外，糖苷靠近FcγR本身，有助于通过糖苷-蛋白质结合来促进结合（然而，更重要的是，人类FcγRIIIa和FcγRIIIb在第162位表达一个保守的糖苷，进入Fc空间并限制Fc糖苷，从而实现直接的糖苷-糖苷相互作用。

关于不同糖基化形式如何影响IgG的效应功能，我们的认识仍处于初级阶段，但以下总结的某些方面已越来越清晰。

岩藻糖化

人们早已知道，IgG-Fc的核心岩藻糖化会影响其与FcγRIIIa的结合，非岩藻糖基化的抗体与FcγRIIIa的结合能力更强。这种更高的亲和力意味着这些抗体对靶标的抗体依赖的细胞介导的细胞毒性（ADCC）和吞噬作用更强，并且已被用于提高治疗性抗体的疗效，如利妥昔单抗。最近的研究表明，这也适用于粒细胞上表达的FcγRIIIb。这种亲和力增强的分子机制将在下文讨论（见FcγRIIIa部分）。疫苗接种后，或显然在正常免疫应答后，人类的IgG应答仅限于带有核心岩藻糖的IgG，如在流感或破伤风类毒素疫苗接种期间针对可溶性蛋白质所观察到的那样。这也反映在这样一个事实上：血清中约94%的IgG-Fc糖肽都是岩藻糖基化的。更令人惊讶的是，在某些针对颗粒性抗原（如红细胞和血小板）的免疫应答中，甚至在一些HIV精英控制者中也观察到，IgG的岩藻糖化会被阻止。因此，显然可以通过IgG的岩藻糖化来微调FcγRIII介导的IgG应答，从而产生更多的促炎或抗炎效应。（无需接受常规抗病毒治疗（Antiretroviral Therapy）就能将病毒载量维持在不可检测水平的艾滋病毒感染者被认为是精英控制者。）

双节分裂

一些特异性抗原IgG应答的双节分裂发生了轻微变化。关于这些变化在生物学意义上的重要性，目前知之甚少。已有描述表明，岩藻糖化和双节分裂以互斥的方式发生，近端双节分裂会阻断IgG的岩藻糖化，因此很难区分双节分裂和核心岩藻糖化的影响。

半乳糖基化

据我们所知，截至目前，尚未发表关于半乳糖基化对抗原特异性IgG水平影响的数据。在人类中，免疫接种似乎会导致特异性抗原IgG的半乳糖基化暂时增加，而对总IgG的半乳糖基化没有影响。然而，在多种自身免疫性疾病中已发现半乳糖基化普遍降低，这表明去半乳糖基化的IgG更具致病性，或者半乳糖基化的IgG具有抗炎活性。这包括类风湿性关节炎，这是一种经常在怀孕期间缓解的疾病——这与怀孕期间半乳糖基化普遍增加有关。

唾液酸化

作为末端且唯一的带电糖基，唾液酸化被提出可通过封闭激活型FcγR的结合位点，同时在CH2-CH3界面打开树突状细胞特异性细胞间黏附分子-3-非整合素（DC-SIGN）的隐蔽结合位点，从而对抗体的Fc结构域结构产生最大影响。为了证明这一点，对有无Fc唾液酸化的IgG进行了实际比较，结果证实了这一点，并且小鼠IgG通常降低了对小鼠FcγR的亲和力，尽管对于人类IgG-FcγR结合而言，这一重要性的系统分析尚缺乏。IgG的唾液酸化增加通常继半乳糖基化增加之后，因为半乳糖基化的IgG是唾液酸转移酶的底物（图1B）。据推测，与DC-SIGN结合的唾液酸化抗体具有强大的免疫调节功能，如下所述（见DC-SIGN部分）。

效应机制

与效应分子的结合

抗体将适应性免疫系统与先天免疫系统的效应机制联系起来。它们通过结合抗原结合位点和多种先天受体及接头分子的结合位点，起到了桥梁的作用。将触发的效应机制因免疫球蛋白亚类而异。通常，IgG1和IgG3是强大的效应机制触发器，而IgG2和IgG4则仅在某些情况下诱发更细微的应答。然而，这些抗体仍然能够中和病毒颗粒和毒素。下文讨论了与C1q和FcRn的结合，强调了亚类之间不同的结构特征（表1）。

C1q

IgG和IgM在结合到目标表面后，能够激活补体。补体激活始于C1q的结合及其随后的活化，这会导致C3b沉积，同时还会形成膜攻击复合物C5–C9，导致目标双磷脂膜被破坏。IgG1和IgG3能高效地触发补体的经典途径，但IgG2和IgG4的效率要低得多，IgG2仅在特定条件下才能触发。这在很大程度上是由于C1q与后两类亚型的结合减少，不过也有研究表明，除了C1q结合外，补体级联的下游事件（C4b沉积）也会受到不同IgG亚型的不同影响。CH2区域中对C1q结合重要的残基包括L235、D270、K322、P329和P331。在IgG2中，C1q结合减少主要归因于残基A235（在其他亚型中为Leu），而在IgG4中，P331至少部分负责C1q结合减少或缺失。中间或“核心”铰链区（残基226–230）的结构决定因素可以影响C1q的结合。一方面，该区域的刚性有利于C1q的结合，而去除半胱氨酸键则对结合产生不利影响。还有研究表明，IgG3相对较长的铰链使得C1q结合位点更易接近，从而更有效地激活补体。然而，将IgG3改造成具有短IgG4铰链后，仍能有效结合C1q，尽管补体激活程度有所降低。

有趣的是，IgG通过CH2–CH3界面相互作用形成六聚体的观点被提出，这为C1q的六聚体构象提供了最佳平台。这些数据得到了该界面突变的支持，例如CH2中的I235和CH3中的H433，它们单独影响通过C1q的补体激活。值得注意的是，具有IgG1-CH1和铰链区的工程化IgG1/3杂交体在补体激活方面比野生型IgG3更有效，其中最大的贡献来自CH1结构域的替换。相反，IgG4上C1q的结合可能会受到Fab臂屏蔽潜在结合位点的影响。已对Fab的取向进行建模，认为其与固体表面和溶液中IgG六聚体平台的取向垂直，因此可能会影响C1q的结合，尽管这还需要进一步证实。IgG4还会通过形成小免疫复合物而导致补体激活减少，这可能是由于其单价性，并且还能减少IgG1抗体介导的补体激活。尽管IgG2较短的铰链可能导致类似屏蔽C1q潜在结合位点的情况，这与IgG2通常较差的补体经典途径激活能力相一致，但在高表面抗原密度下，如IgG2抗体倾向于结合的多糖，IgG2能够激活该途径。在这些高表位密度下，IgG2可能更容易有效形成六聚体，从而显著提高其与C1q的结合亲和力。

Fcγ受体

FcγR结合的区域与C1q结合位点部分重叠。IgG与这些受体的结合已被详细研究。在所有FcγR相互作用中，由CH2结构域N端和免疫球蛋白三维折叠中相邻链段组成的氨基酸序列对结合至关重要。通常，这包括第234-239位、265-269位、297-299位和327-330位氨基酸。然而，每个IgG亚类与每个FcγR的结合特征都是独特的（表1），且它们在髓系细胞和NK细胞来源的不同免疫细胞中的表达特征也高度可变。IgG1和IgG3能高效地与大多数FcγR结合，而IgG2和IgG4与多种FcγR的结合亲和力降低，这是两者之间的主要区别。此外，单体IgG3与FcγRIIa、FcγRIIIa和FcγRIIIb的结合效率高于单体IgG1，且复合IgG3与所有FcγR的结合效率也超过IgG1。IgG1和IgG3之间差异的结构决定因素仍不清楚。下面，我们将讨论已知的对亚类特异性变异负责的结构差异。

FcγRI

尽管FcγRI通常被视为一个单一实体，但实际上，FcγRI由位于1号染色体短臂上的三个同源基因组成，并且已经描述了多种可变剪接变体。然而，目前仅对全长型FcγRIa（包含三个细胞外结构域）进行了详细研究。编码潜在FcγRIb变体的基因可能编码一个几乎相同的受体，该受体仅包含两个N端细胞外免疫球蛋白结构域，但保留了细胞内胞质尾，而FcγRIc则既缺乏胞质尾也缺乏跨膜区，因此预测其可能是一种分泌型（图3）。FcγRIa受体可与除IgG2外的所有人类IgG亚类结合，并且与其他FcγR不同，它包含一个独特的第三个膜近端免疫球蛋白结构域，该结构域也负责其与IgG的高亲和力结合。将IgG1铰链区下部的氨基酸突变为IgG2对应的氨基酸，特别是E233P、L235A和G236缺失，会废除其与FcγRI的结合。IgG4与FcγRI的结合较少，与IgG3相比，P331S和L234F被认为导致了结合减少，但P331对于IgG1的结合可能并不重要。发现具有部分缺失铰链的IgG3与FcγRI和FcγRIIa的结合减少。

FcγRIIa

FcγRIIa是髓系细胞上表达最广泛的FcγR，也是唯一能与IgG2显著结合的FcγR。与131R（“高应答者”，HR）变体相比，131H（“低应答者”，LR）变体对IgG的结合效率更高（该命名基于与小鼠IgG1的差异结合，小鼠IgG1与HR的结合效果更好）。各亚类与FcγRIIa的结合亲和力如下：IgG3 > IgG1 > IgG4 = IgG2。最近，发表了IgG1 Fc与FcγRIIa复合物的晶体结构，与亚类结合差异相关的接触残基包括铰链区下部的L234、L235、G236，以及结构上相邻的A327。值得注意的是，在此共晶结构中，FcγRIIa的131R位点也与铰链区下部紧密相邻。因此，IgG2与FcγRIIa的结合亲和力降低，以及与FcγRIIa的HR/LR形式结合存在差异，也可能归因于IgG2铰链区的差异。

FcγRIIb/IIc

抑制性受体FcγRIIb的细胞外结构域与在约11%的人群中表达的激活性受体FcγRIIc相同。所有亚类与抑制性受体FcγRIIb或IIc的结合均较弱，一般偏好顺序为IgG3 = IgG1 = IgG4 > IgG2。有趣的是，单体IgG1和IgG3的结合解离常数相似，但IgG3的免疫复合物似乎比IgG1更有效地结合。与IgG1相比，IgG4与大多数激活性Fc受体的结合较低，但对抑制性受体FcγRIIb则不是这样。与抑制性受体相比，与激活性受体的结合平衡发生改变可能是IgG4的一个重要特征，有助于其低促炎能力。

FcγRIIIa

FcγRIIIa存在两种同型变体：F158和V158。V158变体对所有亚类的亲和力更大，对于IgG3，其结合效率接近FcγRIa，一般亲和力顺序为IgG3 > IgG1 >> IgG4 > IgG2。除了将IgG1的第233-236位氨基酸改变为IgG2对应的氨基酸外，A327G（IgG1和IgG3中存在Ala，IgG2和IgG4中存在Gly）也会导致结合降低。FcγRIIIa的结合亲和力似乎对IgG Fc尾部N297位N-连接聚糖的核心岩藻糖基化特别敏感，因为如果Fc尾部未岩藻糖基化，其结合亲和力可增强高达50倍，同时效应功能也相应增强。Ferrara等人最近的工作指出，这种相互作用是由于重链N297位聚糖与FcγRIIIa第162位糖基化之间的碳水化合物-碳水化合物相互作用所致，而第162位糖基化是FcγRIIIa和FcγRIIIb所独有的。

FcγRIIIb

中性粒细胞FcγRIIIb也存在功能性同型变异，被称为人类中性粒细胞抗原1（NA1/HNA1a）和（NA2/HNA1b）。与RIIIb-NA2相比，FcγRIIIb-NA1形式能够更有效地吞噬被IgG1或IgG3包被的颗粒。FcγRIIIb通常与IgG1和IgG3结合，但不与IgG2和IgG4结合，且对IgG3的结合优于IgG1。IgG1 Fc与FcγRIIIb复合物的晶体结构揭示了氨基酸234–238是重要的接触残基，该区域的亚类特异性变异再次解释了IgG2和IgG4无法与该受体结合的原因。

FcRn

20世纪60年代，布兰博尔（Brambell）首次提出存在一种受体，负责IgG异常长的半衰期（3周，见表1）以及从母体向幼体的有效转运。这一观点后来被多个研究小组证实，并最终被克隆和鉴定为新生儿FcRn。

结构上，FcRn与MHC-I类分子惊人地相似。与MHC-I类和其他MHC-I类样分子一样，FcRn与非糖基化的12kDa β2-微球蛋白共表达，后者编码于第15号染色体。人类FcRn的α链是一条45kDa的多肽链，编码于第19号染色体上的一个位点，该位点还包含其他多种免疫受体（例如KIR、LAIR-1、CD89、CEACAM）。与小鼠和大鼠的FcRn不同，人类FcRn只有一个潜在的糖基化位点（N102）。它位于与IgG结合位点相对的一面，也是所有已知FcRn序列（小鼠、大鼠、人类、猕猴、猪、羊、牛、单峰驼和袋鼠）所共有的。在生理pH值（7.4）下，FcRn不与其配体结合。只有在胞内体的酸性环境（pH≤6.5）中，IgG中溶剂暴露的组氨酸残基发生质子化时，才会与FcRn结合。IgG Fc尾部（CH2-CH3界面）内的组氨酸残基对于与β2M和FcRn α链内残基的高亲和力结合至关重要。H435位于该界面的中心，含有R435的IgG3同种型与FcRn的亲和力降低，解释了其半衰期缩短和胎盘转运降低的原因（表1）。因此，在含有含H435的IgG3同种型（g3m、15或16）的个体中，IgG3具有正常的3周半衰期，并能有效穿过胎盘转运。

小鼠模型已证实FcRn可保护IgG免受降解：FcRn或β2-微球蛋白缺陷小鼠的IgG半衰期降低。FcRn介导的回收保留了比产生量多四倍的IgG。虽然最初认为内皮细胞上的FcRn表达负责IgG的回收，但后来的研究表明，髓系细胞上强烈的FcRn表达对小鼠半衰期的延长同样重要。同样，转基因动物中FcRn的过表达会导致IgG血清水平升高。

然而，FcRn在生命早期就开始发挥作用，通过胎盘从母体向幼体转运IgG——从而转运体液免疫，在啮齿类动物中，出生后还通过母体乳汁在哺乳幼崽的肠道中进行转运。在大鼠中，小肠中的FcRn表达下调，这与这些细胞中IgG的降解相关。

在成年期，FcRn在许多上皮细胞上表达，并继续在FcRn表达的上皮屏障中转运IgG。FcRn（在所有物种中）能够双向转运货物穿过极化细胞（包括上皮和内皮细胞），但净转运方向取决于组织类型。例如，在胎盘的合体滋养层细胞中，转运方向是从顶端面向基底外侧面，而在血脑屏障中，方向似乎相反（从血管外表面向管腔或大脑向血液）；然而，FcRn是否参与这种转运仍存在争议。

已描述免疫球蛋白G（IgG）或IgG-抗原复合物可通过黏膜表面（如肠腔或呼吸道上皮）进行转运，从而在免疫监视中发挥作用。在黏膜免疫中，它补充了分泌型免疫球蛋白A（sIgA）的免疫调节功能。

由于IgG能够转运完全折叠且具有功能的蛋白质穿过上皮屏障，这为FcRn作为内源性受体转运Fc融合蛋白或疫苗抗原穿过原本不可渗透的上皮表面提供了新的可能性。

在黏膜细胞上，已发现FcRn能够转运IgG并参与抗原取样，并且最近在噬菌细胞上表达的FcRn被发现能够增强IgG包被颗粒的吞噬能力。在抗原呈递细胞上，这种IgG复合物的摄入可导致呈递增强。与吞噬反应类似，这种增强的呈递可能需要通过FcγR和模式识别受体进行外部感知和细胞激活，然后在低pH条件下将IgG-抗原货物传递给FcRn。因此，包括延长半衰期、向幼体转运和抗原取样在内的免疫球蛋白活性似乎是通过单一受体——MHC-I类样FcRn来协调的。相比之下，IgG的其他效应功能，如吞噬作用和抗原呈递，似乎是由FcRn和经典FcγR共同介导的。

IgG的其他受体

FcRL

Fc受体样蛋白（Fc receptor-like proteins），包括六个成员（FcRL1-6），最初被鉴定为FcγR的同源物，但长期以来一直被视为孤儿受体，主要表达在B细胞上。然而，最近发现FcRL4，尤其是FcRL5，也能够结合免疫球蛋白。前者能够识别IgA、IgG3和IgG4，而FcRL5则能够很好地结合所有IgG亚类，但不结合IgA。这两种受体均表达在B细胞上，具有免疫受体酪氨酸抑制基序（ITIM），并且已知它们能够通过招募SHP-1来下调B细胞活性，这一过程发生在B细胞受体（BCR）交联之后。尽管FcRL5似乎广泛表达在各种B细胞群上，但FcRL4仅表达在粘膜起源的粘膜下层组织B细胞上，这表明该受体可能分别通过抗原特异性的IgG和IgA参与负反馈抑制。

TRIM21

三结构域蛋白21（TRIM21）是一种几乎在所有细胞类型中均有表达，但在免疫细胞中高度表达的胞质蛋白。TRIM21先前被视为与多种自身免疫性疾病（例如系统性红斑狼疮，SLE）相关的自身抗原。后来，人们发现TRIM21能够以纳摩尔级亲和力结合IgG。TRIM21在Fc结构域的CH2-CH3界面处与IgG结合，这与FcRn和蛋白A/G相似；它与蛋白A/G竞争与IgG的结合，并且这种结合不依赖于CH2结构域的N-糖基化。随后的研究表明，TRIM21作为一种免疫传感器，能够靶向IgG包被的病毒和细菌，通过泛素依赖的蛋白酶体进行抗体依赖的细胞内中和作用。该受体通过检测抗体包被的病毒而被激活，这一过程需要蛋白酶体、ATP酶以及解折叠酶VCP的参与。此外，它还能进一步激活信号传导，并引发以NF-κB、AP-1和IRF通路为特征的先天性免疫反应。

该受体在胞质中的独特定位虽然留下了许多未解之谜，但同时也解答了许多问题。它有助于解释在感染早期阶段，部分包被的病原体如何仍然能够被识别和中和，从而逃避补体和FcγR系统的识别。在二次感染期间，该系统的相对重要性仍不得而知，但可能在补体和髓系系统不太突出的部位（例如肠道黏膜表面）相对更为重要。

结论

免疫球蛋白G（IgG）介导的反应各不相同，很大程度上取决于二次免疫应答的类型，而二次免疫应答的类型又取决于抗原的类型。这决定了免疫应答会针对特定的IgG亚类或亚类组合，而这些亚类的功能差异很大。除了这种变异外，个体的IgG特征谱由其遗传的同种异型决定，这可能影响免疫应答的临床表现，而最终的临床表现在个体和群体之间是不同的。IgG Fc尾部糖基化的巨大差异进一步增加了复杂性，这种差异会影响与各种受体的结合，而我们刚刚开始理解这些受体的性质。

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