揭秘T细胞力学传感器的精细化结构

2019年9月24日 讯 /生物谷BIOON/ --T细胞在细胞膜上有着特殊的T细胞受体（TCRs），其能帮助识别表达异常蛋白片段的功能异常细胞，如果发生癌症或感染，这类异常就会发生；当TCRs识别到这些异常肽类时，受体就会被激活同时也会几乎T细胞来破坏或抑制异常细胞的进展，这类T细胞反应常常会被抗癌临床疗法所调节，TCRs就是研究人员非常感兴趣的受体，因为其异常会引发自身免疫性疾病或免疫缺陷疾病的发生。

图片来源：Dong et al.

近日，一项刊登在国际杂志Nature上的研究报告中，研究者Dong等人利用单粒子冷冻电镜技术（cryoEM）在3.7A的分辨率下解析了人类TCR的结构，此前研究人员并未在高分辨率下对TCR的结构进行解析；在超过35年的时间里，研究人员一直知道，每种TCR（αβTCR）是一种蛋白复合体，8个蛋白能够形成TCR，其中6个蛋白统称为CD3，当TCR被激活时其能在信号传输过程中发挥作用，CD3包括CD3ε和CD3δ异质二聚体（CD3εδ）、CD3εγ和CD3ζζ，形成TCR的另外两个蛋白则是TCRα和TCRβ，其能够形成一种配体结合的异质二聚体，即TCRαβ，其能识别与另一个细胞表面MHC（主要组织相容性复合体）分子相结合的肽类（一种称之为pMHC的组合），TCRα， TCRβ， CD3δ， CD3ε和CD3γ包括胞外域、连接肽区、跨膜区和胞质尾部。

每个人机体中许多T细胞都携带有相同类型的CD3蛋白，但TCRα和TCRβ却拥有者与T细胞不同的可变结构域，不同的T细胞拥有独特的能力，能够在pMHCs中识别抗原肽。关于单个TCR组件的结构和功能目前研究人员已经知道了很多，但理解完整的TCR结构或许能为研究人员提供新的见解。

文章中，研究者Dong在培养的细胞中对TCR蛋白进行了共表达，这些蛋白能够组装成为TCR复合体，研究者将该复合体进行了分离，并通过化学交联的方法使其稳定下来，并使其能在邻近的蛋白质之间形成永久的键，这种方法就能够帮助作者获取结构数据；基于可变CD3二聚体和TCRαβ胞外域之间有限的互作表面，可替代的TCR构象或许就会存在，而用于获取cryoEM数据的交联过程则会对结构可变性产生压力。

由TCRαβ异二聚体形成的成对可变结构域位于TCR的中心，即距离细胞膜最远的细胞外区域（如图所示），用于结合pMHC的可变结构域表面的定向方式与TCR在抗原识别过程中作为机械传感器以方向选择性方式发挥作用的观点是一致的，由于各向异性的特性，其仅在一个方向上会结合其配体。

TCR的另外一个显著特点就是其胞外结构域的混合物，其由TCRα和TCRβ组成，此外还有CD3εγ和CD3εδ的胞外域，以及CD3ζζ的短胞外区段；研究者表示，跨膜螺旋主要在洋地黄皂苷清洁剂中处于平行方向，洋地黄皂苷清洁剂用来替代细胞膜的脂质从而进行蛋白质的溶解和成像，目前研究者无法获取TCR蛋白细胞质尾部的结构信息，其中包括在T细胞激活期间对信号转导非常重要的CD3区域，这或许是因为在缺乏正常细胞膜脂质的情况下，这些区域具有较高的构象灵活性所致。

研究者Dong等人获取的结构引人注目的原因有很多，首先研究者将以前使用的X射线晶体学所获得的TCR组分结构与其结构进行对接，CD3εδ和CD3εγ的胞外域相对于TCRα和TCRβ的位置与此前所获得的结构一致；此外，在跨膜区域中，TCRαβ异二聚体中的碱性氨基酸残基与CD3蛋白中的酸性氨基酸的紧密并置，这就支持了早期研究者提出的想法，即这种相互作用可能有助于进行跨膜螺旋的定向作用。

研究者指出，当力施加到TCR让时所发生的亚单位重排或许会促进CD3二聚体的解离，从从CD3ζζ开始或许有助于T细胞的活化，研究者所揭示的结构证实了CD3ζζ的解离的确会引发跨膜区TCR结构的改变。研究者Dong的研究结果为科学家们后期深入研究奠定了基础，鉴于TCR在理解免疫细胞功能和在免疫疗法中使用利用T细胞来治疗癌症的重要性，关于TCR结构的信息或许能帮助研究者重新改善对TCR的设计，研究者希望后期能通过更为深入的研究在开发高质量TCRs用于临床中取得重要进展。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

【1】Structural basis of assembly of the human T cell receptor–CD3 complex

【2】Evidence for the T3-associated 90K heterodimer as the T-cell antigen receptor

【3】Davis MM， Bjorkman PJ. T-cell antigen receptor genes and T-cell recognition. Nature. 1988 Aug 4；334(6181)：395-402.

【4】Wang JH， Reinherz EL. The structural basis of αβ T-lineage immune recognition： TCR docking topologies， mechanotransduction， and co-receptor function. Immunol Rev. 2012 Nov；250(1)：102-19. doi： 10.1111/j.1600-065X.2012.01161.x.

【5】Feng Y， Reinherz EL， Lang MJ. αβ T Cell Receptor Mechanosensing Forces out Serial Engagement. Trends Immunol. 2018 Aug；39(8)：596-609. doi： 10.1016/j.it.2018.05.005. Epub 2018 Jul 4.

【6】Call ME， Pyrdol J， Wiedmann M， et al. The organizing principle in the formation of the T cell receptor-CD3 complex. Cell. 2002 Dec 27；111(7)：967-79.

【7】Brazin KN， Mallis RJ， Boeszoermenyi A， et al. The T Cell Antigen Receptor α Transmembrane Domain Coordinates Triggering through Regulation of Bilayer Immersion and CD3 Subunit Associations. Immunity. 2018 Nov 20；49(5)：829-841.e6. doi： 10.1016/j.immuni.2018.09.007. Epub 2018 Oct 30.

【8】Mallis RJ， Brazin KN， Duke-Cohan JS， et al. NMR： an essential structural tool for integrative studies of T cell development， pMHC ligand recognition and TCR mechanobiology. J Biomol NMR. 2019 Jul；73(6-7)：319-332. doi： 10.1007/s10858-019-00234-8. Epub 2019 Feb 27.

【9】Chakraborty AK， Weiss A. Insights into the initiation of TCR signaling. Nat Immunol. 2014 Sep；15(9)：798-807. doi： 10.1038/ni.2940.

【10】Backstrom BT， Milia E， Peter A， et al. A motif within the T cell receptor alpha chain constant region connecting peptide domain controls antigen responsiveness. Immunity. 1996 Nov；5(5)：437-47.

【11】The structure of a T-cell mechanosensor