研究揭示TCR複合物結構動態性調控抗原特異性免疫應答新機制

研究揭示TCR複合物結構動態性調控抗原特異性免疫應答新機制

2017-04-27 上海生命科學研究院

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　　3月24日，國際學術期刊《細胞研究》（Cell Research）在線發表了中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所研究員許琛琦研究組與南京大學教授曹毅合作完成的最新研究成果Lipid-dependent conformational dynamics underlie the functional versatility of T-cell receptor。該研究揭示了TCR複合物胞內段的結構動態性，為TCR複合物傳導不同刺激信號提供了結構基礎。

　　在獲得性免疫系統中，T細胞能夠清除病原體和感染病變的細胞。T細胞抗原受體（T-cell receptor, TCR）是T細胞識別「自我」和「非我」物質的主要受體，可以和抗原呈遞細胞（APC）表面特定的peptide-MHC複合物（pMHC）結合來發揮作用。ab TCR複合物由TCRab異源二聚體、CD3eg、CD3ed和CD3zz 組成。TCR與pMHC結合後，會引起TCR複合物中CD3分子胞內段免疫酪氨酸基序（immunoreceptor tyrosine-based activation motifs, ITAMs）中酪氨酸殘基的磷酸化，隨後開啟下遊信號。這個過程可以分為兩個階段，第一階段是TCR由結構關閉到結構打開的轉換，第二階段是由TCR結構打開到ITAMs磷酸化的激活態。許琛琦之前的工作表明，CD3e和CD3z的胞內段含有鹼性胺基酸富集區（Basic Rich Sequences, BRS，帶正電），這些BRS可以通過電荷相互作用與富含酸性磷脂（帶負電）的細胞膜內側相互作用，使得其ITAM被磷脂保護起來，免於被下遊的激酶磷酸化 (Xu et al., Cell, 2008)。隨後他們發現，在T細胞活化初期，內流的Ca²⁺可以通過中和細胞膜內側的酸性磷脂所帶的負電荷，幫助那些未結合抗原的TCR複合物的胞內段從細胞膜上解離下來，從而發生磷酸化並放大初始的TCR信號 (Shi et al., Nature, 2013)。這些研究證明了細胞膜磷脂對TCR信號轉導的重要調控作用。此外，TCR複合物在接受不同的抗原刺激時會產生不同的下遊信號，從而引起不同的T細胞免疫反應，但產生這種功能多樣性的結構基礎依然不甚清楚。

　　為了探究該科學問題，在許琛琦、曹毅的聯合指導下，博士後郭興東、博士研究生閆成松、副研究員李華、博士研究生黃文茂等人運用多種技術手段，分析了TCR複合物胞內段與細胞膜磷脂結合的結構動態性。首先，他們利用單分子原子力顯微鏡（AFM），檢測CD3e 胞內段（CD3e_CD）與細胞膜內側相互作用的力學特徵。研究發現，CD3e_CD從細胞膜解離的過程中會產生特異的力譜；除了單峰力事件外，還有一定比例的雙峰力事件，這表明CD3e_CD中很可能存在兩個與細胞膜結合的位點。研究人員通過計算發現，除了之前鑑定的BRS區域外，在脯氨酸富集區 (Proline Rich Sequences, PRS) 和ITAM前半部分區域還存在一個較弱的次級膜結合位點。為了驗證該推測，他們隨後使用核磁共振（NMR），結合溶液PRE（solvent paramagnetic resonance enhancement）試劑TEMPOL，測定與磷脂結合的CD3e_CD的構象動態特徵。結果顯示次級膜結合位點區域的胺基酸殘基PRE效應相對較低，這進一步驗證了次級膜結合位點的存在。而將該結合位點中的鹼性殘基和疏水殘基突變後，發現CD3e_CD前半段依舊與磷脂結合而後半段卻從磷脂上解離下來。最後，他們利用全內反射螢光顯微鏡（TIRFM）和螢光共振能量轉移（FRET）技術，檢測不同強度抗原刺激下CD3e_CD從細胞膜上解離的程度，發現在不同強度的抗原刺激下，CD3e_CD從細胞膜上的解離程度的確存在差異。這表明，不同強度的抗原確實可以使CD3e_CD處於不同的構象態。這些實驗證明，膜脂依賴的TCR複合物構象動態特徵很可能是TCR複合物傳導不同刺激信號的結構基礎。

　　該項研究得到了清華大學教授劉萬裡，上海生科院生化與細胞所研究員黃超蘭、歐陽波，中科院武漢物理與數學研究所研究員唐淳，中科院長春應用化學研究所研究員王宏達，美國Lehigh University教授張曉輝的大力幫助，並得到國家自然科學基金委、科技部、中科院先導專項及上海市科委的經費支持。該研究工作還得到國家蛋白質科學設施（上海）核磁共振系統、質譜系統、複合雷射顯微鏡系統、分子影像系統，生化與細胞所細胞分析技術平臺、分子生物學技術平臺、動物實驗技術平臺的大力支持。

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強弱不同的特異性抗原能夠誘導TCR複合物產生不同的構象變化，從而產生不同的活化信號以及不同的免疫反應

　　3月24日，國際學術期刊《細胞研究》（Cell Research）在線發表了中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所研究員許琛琦研究組與南京大學教授曹毅合作完成的最新研究成果Lipid-dependent conformational dynamics underlie the functional versatility of T-cell receptor。該研究揭示了TCR複合物胞內段的結構動態性，為TCR複合物傳導不同刺激信號提供了結構基礎。
　　在獲得性免疫系統中，T細胞能夠清除病原體和感染病變的細胞。T細胞抗原受體（T-cell receptor, TCR）是T細胞識別「自我」和「非我」物質的主要受體，可以和抗原呈遞細胞（APC）表面特定的peptide-MHC複合物（pMHC）結合來發揮作用。ab TCR複合物由TCRab異源二聚體、CD3eg、CD3ed和CD3zz 組成。TCR與pMHC結合後，會引起TCR複合物中CD3分子胞內段免疫酪氨酸基序（immunoreceptor tyrosine-based activation motifs, ITAMs）中酪氨酸殘基的磷酸化，隨後開啟下遊信號。這個過程可以分為兩個階段，第一階段是TCR由結構關閉到結構打開的轉換，第二階段是由TCR結構打開到ITAMs磷酸化的激活態。許琛琦之前的工作表明，CD3e和CD3z的胞內段含有鹼性胺基酸富集區（Basic Rich Sequences, BRS，帶正電），這些BRS可以通過電荷相互作用與富含酸性磷脂（帶負電）的細胞膜內側相互作用，使得其ITAM被磷脂保護起來，免於被下遊的激酶磷酸化 (Xu et al., Cell, 2008)。隨後他們發現，在T細胞活化初期，內流的Ca2+可以通過中和細胞膜內側的酸性磷脂所帶的負電荷，幫助那些未結合抗原的TCR複合物的胞內段從細胞膜上解離下來，從而發生磷酸化並放大初始的TCR信號 (Shi et al., Nature, 2013)。這些研究證明了細胞膜磷脂對TCR信號轉導的重要調控作用。此外，TCR複合物在接受不同的抗原刺激時會產生不同的下遊信號，從而引起不同的T細胞免疫反應，但產生這種功能多樣性的結構基礎依然不甚清楚。
　　為了探究該科學問題，在許琛琦、曹毅的聯合指導下，博士後郭興東、博士研究生閆成松、副研究員李華、博士研究生黃文茂等人運用多種技術手段，分析了TCR複合物胞內段與細胞膜磷脂結合的結構動態性。首先，他們利用單分子原子力顯微鏡（AFM），檢測CD3e 胞內段（CD3eCD）與細胞膜內側相互作用的力學特徵。研究發現，CD3eCD從細胞膜解離的過程中會產生特異的力譜；除了單峰力事件外，還有一定比例的雙峰力事件，這表明CD3eCD中很可能存在兩個與細胞膜結合的位點。研究人員通過計算發現，除了之前鑑定的BRS區域外，在脯氨酸富集區 (Proline Rich Sequences, PRS) 和ITAM前半部分區域還存在一個較弱的次級膜結合位點。為了驗證該推測，他們隨後使用核磁共振（NMR），結合溶液PRE（solvent paramagnetic resonance enhancement）試劑TEMPOL，測定與磷脂結合的CD3eCD的構象動態特徵。結果顯示次級膜結合位點區域的胺基酸殘基PRE效應相對較低，這進一步驗證了次級膜結合位點的存在。而將該結合位點中的鹼性殘基和疏水殘基突變後，發現CD3eCD前半段依舊與磷脂結合而後半段卻從磷脂上解離下來。最後，他們利用全內反射螢光顯微鏡（TIRFM）和螢光共振能量轉移（FRET）技術，檢測不同強度抗原刺激下CD3eCD從細胞膜上解離的程度，發現在不同強度的抗原刺激下，CD3eCD從細胞膜上的解離程度的確存在差異。這表明，不同強度的抗原確實可以使CD3eCD處於不同的構象態。這些實驗證明，膜脂依賴的TCR複合物構象動態特徵很可能是TCR複合物傳導不同刺激信號的結構基礎。
　　該項研究得到了清華大學教授劉萬裡，上海生科院生化與細胞所研究員黃超蘭、歐陽波，中科院武漢物理與數學研究所研究員唐淳，中科院長春應用化學研究所研究員王宏達，美國Lehigh University教授張曉輝的大力幫助，並得到國家自然科學基金委、科技部、中科院先導專項及上海市科委的經費支持。該研究工作還得到國家蛋白質科學設施（上海）核磁共振系統、質譜系統、複合雷射顯微鏡系統、分子影像系統，生化與細胞所細胞分析技術平臺、分子生物學技術平臺、動物實驗技術平臺的大力支持。
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強弱不同的特異性抗原能夠誘導TCR複合物產生不同的構象變化，從而產生不同的活化信號以及不同的免疫反應

列印 責任編輯：葉瑞優