揭秘T細胞力學傳感器的精細化結構

2019年9月24日 訊 /生物谷BIOON/ --T細胞在細胞膜上有著特殊的T細胞受體（TCRs），其能幫助識別表達異常蛋白片段的功能異常細胞，如果發生癌症或感染，這類異常就會發生；當TCRs識別到這些異常肽類時，受體就會被激活同時也會幾乎T細胞來破壞或抑制異常細胞的進展，這類T細胞反應常常會被抗癌臨床療法所調節，TCRs就是研究人員非常感興趣的受體，因為其異常會引發自身免疫性疾病或免疫缺陷疾病的發生。

圖片來源：Dong et al.

近日，一項刊登在國際雜誌Nature上的研究報告中，研究者Dong等人利用單粒子冷凍電鏡技術（cryoEM）在3.7A的解析度下解析了人類TCR的結構，此前研究人員並未在高解析度下對TCR的結構進行解析；在超過35年的時間裡，研究人員一直知道，每種TCR（αβTCR）是一種蛋白複合體，8個蛋白能夠形成TCR，其中6個蛋白統稱為CD3，當TCR被激活時其能在信號傳輸過程中發揮作用，CD3包括CD3ε和CD3δ異質二聚體（CD3εδ）、CD3εγ和CD3ζζ，形成TCR的另外兩個蛋白則是TCRα和TCRβ，其能夠形成一種配體結合的異質二聚體，即TCRαβ，其能識別與另一個細胞表面MHC（主要組織相容性複合體）分子相結合的肽類（一種稱之為pMHC的組合），TCRα， TCRβ， CD3δ， CD3ε和CD3γ包括胞外域、連接肽區、跨膜區和胞質尾部。

每個人機體中許多T細胞都攜帶有相同類型的CD3蛋白，但TCRα和TCRβ卻擁有者與T細胞不同的可變結構域，不同的T細胞擁有獨特的能力，能夠在pMHCs中識別抗原肽。關於單個TCR組件的結構和功能目前研究人員已經知道了很多，但理解完整的TCR結構或許能為研究人員提供新的見解。

文章中，研究者Dong在培養的細胞中對TCR蛋白進行了共表達，這些蛋白能夠組裝成為TCR複合體，研究者將該複合體進行了分離，並通過化學交聯的方法使其穩定下來，並使其能在鄰近的蛋白質之間形成永久的鍵，這種方法就能夠幫助作者獲取結構數據；基於可變CD3二聚體和TCRαβ胞外域之間有限的互作表面，可替代的TCR構象或許就會存在，而用於獲取cryoEM數據的交聯過程則會對結構可變性產生壓力。

由TCRαβ異二聚體形成的成對可變結構域位於TCR的中心，即距離細胞膜最遠的細胞外區域（如圖所示），用於結合pMHC的可變結構域表面的定向方式與TCR在抗原識別過程中作為機械傳感器以方向選擇性方式發揮作用的觀點是一致的，由於各向異性的特性，其僅在一個方向上會結合其配體。

TCR的另外一個顯著特點就是其胞外結構域的混合物，其由TCRα和TCRβ組成，此外還有CD3εγ和CD3εδ的胞外域，以及CD3ζζ的短胞外區段；研究者表示，跨膜螺旋主要在洋地黃皂苷清潔劑中處於平行方向，洋地黃皂苷清潔劑用來替代細胞膜的脂質從而進行蛋白質的溶解和成像，目前研究者無法獲取TCR蛋白細胞質尾部的結構信息，其中包括在T細胞激活期間對信號轉導非常重要的CD3區域，這或許是因為在缺乏正常細胞膜脂質的情況下，這些區域具有較高的構象靈活性所致。

研究者Dong等人獲取的結構引人注目的原因有很多，首先研究者將以前使用的X射線晶體學所獲得的TCR組分結構與其結構進行對接，CD3εδ和CD3εγ的胞外域相對於TCRα和TCRβ的位置與此前所獲得的結構一致；此外，在跨膜區域中，TCRαβ異二聚體中的鹼性胺基酸殘基與CD3蛋白中的酸性胺基酸的緊密並置，這就支持了早期研究者提出的想法，即這種相互作用可能有助於進行跨膜螺旋的定向作用。

研究者指出，當力施加到TCR讓時所發生的亞單位重排或許會促進CD3二聚體的解離，從從CD3ζζ開始或許有助於T細胞的活化，研究者所揭示的結構證實了CD3ζζ的解離的確會引發跨膜區TCR結構的改變。研究者Dong的研究結果為科學家們後期深入研究奠定了基礎，鑑於TCR在理解免疫細胞功能和在免疫療法中使用利用T細胞來治療癌症的重要性，關於TCR結構的信息或許能幫助研究者重新改善對TCR的設計，研究者希望後期能通過更為深入的研究在開發高質量TCRs用於臨床中取得重要進展。（生物谷Bioon.com）

參考資料：

【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