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Nature 報(bào)道西湖大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次揭示T細(xì)胞“特種兵”真相

2024-05-17 點(diǎn)擊量：639

在古希臘神話中，有一位名叫阿斯克勒庇俄斯的醫(yī)神，手持蛇杖，擁有治愈疾病和傷痛的神力，而在人體內(nèi)，也有這樣的“蛇杖”——T細(xì)胞。

T細(xì)胞，也被稱為T淋巴細(xì)胞，是人體免疫系統(tǒng)中的主要細(xì)胞之一，在人體中，根據(jù)表達(dá)的T細(xì)胞受體（TCR），T細(xì)胞可以分為兩類——αβ T細(xì)胞和γδ T細(xì)胞，分別表達(dá)受體αβ TCR 和γδ TCR。

盡管γδ T細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)了很多年，然而，其受體組裝模式以及識(shí)別抗原的模式至今仍未被充分理解，極大地阻礙了γδ T細(xì)胞在腫瘤免疫治療中的開發(fā)和應(yīng)用。

近日，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院周強(qiáng)課題組、施一公課題組助理研究員宿強(qiáng)，在Nature上合作發(fā)表題為“Structures of human γδ T cell receptor–CD3 complex”的文章。該研究首次報(bào)道了兩種經(jīng)典的γδ TCR–CD3復(fù)合物的全長(zhǎng)冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，首次揭示了Vγ依賴的組裝模式，為γδ TCR在配體識(shí)別和T細(xì)胞激活的獨(dú)特性提供了重要見解。

論文截圖

非典型T細(xì)胞

γδ T細(xì)胞

人體很多疾病，都源于免疫系統(tǒng)打了敗仗或者出了故障。

人體的免疫系統(tǒng)就像是一個(gè)強(qiáng)健且機(jī)警的戰(zhàn)士，它能根據(jù)疾病隨機(jī)應(yīng)變。T細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞免疫是這個(gè)戰(zhàn)士鋒利的武器，它可抵御入侵的病原體，直接殺死被感染的細(xì)胞，激活其他免疫細(xì)胞，調(diào)控免疫反應(yīng)，而T細(xì)胞受體（TCR）就是幫助戰(zhàn)士準(zhǔn)確識(shí)別外敵的雷達(dá)。

在T細(xì)胞這個(gè)大家族中，也有很多角色，它們?cè)谌梭w免疫系統(tǒng)中各有分工。

其中，αβ T細(xì)胞是T細(xì)胞的主要組成部分，占T細(xì)胞總數(shù)的95%以上。如果把αβ T細(xì)胞比作T細(xì)胞部隊(duì)里的“主力軍”，那么γδ T細(xì)胞則是“特種兵”——含量少（在人外周血淋巴細(xì)胞中占1%-5%左右）、反應(yīng)速度快（γδ T細(xì)胞作為免疫系統(tǒng)第一道防線，可以快速啟動(dòng)先天性免疫反應(yīng)）。

1980年代中期，γδ T細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)，與αβ T細(xì)胞不同，其受體由TCRγ和TCRδ兩條鏈組成。γδ T細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)已有數(shù)十年，盡管含量少，但在細(xì)胞免疫中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，于是，科學(xué)家們不斷嘗試，想要看清這個(gè)非典型T細(xì)胞的受體究竟長(zhǎng)什么樣。

γδ T細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞相互作用方式

（Liu, Y., & Zhang, C. Cells, 9(5), 1206. 2020）

驚喜的發(fā)現(xiàn)

γδ TCR–CD3復(fù)合物高分辨率結(jié)構(gòu)

CD3是一種重要的白細(xì)胞分化抗原，幾乎存在于所有的T細(xì)胞表面。兩類T細(xì)胞受體αβ TCR 和γδ TCR都可以和CD3分子形成TCR–CD3復(fù)合物。TCR–CD3復(fù)合物的信號(hào)機(jī)制和受體識(shí)別一直是領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵問題。

通過重組表達(dá)γδ TCR–CD3的6個(gè)組分，研究團(tuán)隊(duì)首次拿到了全長(zhǎng)的γδ TCR–CD3復(fù)合物?？吹皆诜肿雍Y上均一且性質(zhì)良好的蛋白樣品，研究團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，他們正在敲開γδ TCR結(jié)構(gòu)生物學(xué)的大門！

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，在獲得γδ TCR–CD3復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了γδ TCR與αβ TCR的顯著不同——Vγ5Vδ1 TCR呈現(xiàn)了前所未有的二聚體狀態(tài)，而Vγ9Vδ2 TCR以單體的狀態(tài)存在，其胞外域更靈活。

人Vγ9Vδ2 和 Vγ5Vδ1 TCR–CD3復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)

這一驚喜發(fā)現(xiàn)，隨后引發(fā)了研究團(tuán)隊(duì)更多的思考：

Vγ5Vδ1 TCR的二聚體狀態(tài)是否是體外過表達(dá)帶來(lái)的假象?
生理?xiàng)l件下，若也作為二聚體狀態(tài)存在，那二聚體狀態(tài)的意義是什么？
為什么不同V區(qū)序列的γδ TCR–CD3復(fù)合物以不同的寡聚化狀態(tài)存在？
Vγ9Vδ2 TCR的胞外區(qū)要比αβ TCR更靈活，這對(duì)γδ T細(xì)胞的激活會(huì)有什么影響？
在兩種經(jīng)典的γδ TCR–CD3復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)了一團(tuán)多余的密度，類似于膽固醇分子，這與αβ TCR–CD3相同，其在γδ T細(xì)胞的激活中起什么作用？

帶著這些思考，研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)邁進(jìn)。團(tuán)隊(duì)成員全部是結(jié)構(gòu)生物學(xué)背景，但為了解答這些重要的科學(xué)問題，他們選擇了一條充滿挑戰(zhàn)的道路——自學(xué)免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

從第一批慢病毒轉(zhuǎn)染體系的摸索、第一次陽(yáng)性細(xì)胞的篩選，到第一次流式數(shù)據(jù)的分析、第一次熒光壽命成像顯微鏡的使用……他們不斷嘗試，不斷刷新、完善研究成果。

然而，當(dāng)文章投出后，卻在第一輪同行評(píng)議時(shí)受到了許多質(zhì)疑：分辨率不夠，對(duì)照組不夠，為領(lǐng)域內(nèi)帶來(lái)的生物學(xué)見解不夠……

怎么辦？面對(duì)質(zhì)疑聲，研究團(tuán)隊(duì)只有一個(gè)選擇：直面問題，解決問題！

歷時(shí)3個(gè)月，經(jīng)過無(wú)數(shù)次的克隆構(gòu)建、蛋白純化、數(shù)據(jù)收集處理、穩(wěn)轉(zhuǎn)細(xì)胞系的構(gòu)建、T細(xì)胞激活實(shí)驗(yàn)、流式染色分析、FLIM-FRET實(shí)驗(yàn)……最終他們獲得了6個(gè)高分辨率結(jié)構(gòu)，補(bǔ)齊了這項(xiàng)研究的最后一步。

全新的起點(diǎn)

打開γδ T細(xì)胞結(jié)構(gòu)免疫學(xué)大門

知其然，知其所以然。研究團(tuán)隊(duì)用強(qiáng)有力的證據(jù)，回答了最初自己提出的疑問——

Vγ5Vδ1 TCR的二聚體狀態(tài)是生理?xiàng)l件下存在的。研究團(tuán)隊(duì)利用熒光壽命成像顯微鏡-熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FLIM-FRET）證實(shí)了細(xì)胞膜上Vγ5Vδ1 TCR復(fù)合物呈現(xiàn)寡聚狀態(tài)。

Vγ5Vδ1 TCR的二聚體狀態(tài)對(duì)于其識(shí)別配體是必須的。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了穩(wěn)定表達(dá)野生型Vγ5Vδ1 TCR（二聚體狀態(tài)）或者突變體Vγ5Vδ1 TCR（單體狀態(tài)）的Jurkat細(xì)胞系，通過抗原呈提細(xì)胞以及抗CD3抗體/抗CD28抗體進(jìn)行了T細(xì)胞激活實(shí)驗(yàn)，證明了二聚型的野生型Vγ5Vδ1 TCR對(duì)于T細(xì)胞激活是必需的。

為什么單體形式的Vγ5Vδ1 TCR無(wú)法啟動(dòng)T細(xì)胞激活？他們構(gòu)建了CD1d-α-GalCer四聚體，運(yùn)用流式細(xì)胞術(shù)測(cè)定了野生型Vγ5Vδ1 TCR（二聚體狀態(tài)）和突變體Vγ5Vδ1 TCR（單體狀態(tài)）結(jié)合配體能力的異同，推測(cè)由于二價(jià)和單價(jià)結(jié)合模式的區(qū)別，導(dǎo)致突變體Vγ5Vδ1 TCR不能結(jié)合CD1d-α-GalCer四聚體，從而不能介導(dǎo)T細(xì)胞激活。

野生型和突變體Vγ5Vδ1 TCR對(duì)配體的二價(jià)和單價(jià)結(jié)合模式

來(lái)自免疫學(xué)領(lǐng)域的審稿人對(duì)這項(xiàng)研究工作給予了高度評(píng)價(jià)。研究團(tuán)隊(duì)從結(jié)構(gòu)出發(fā)，聯(lián)用生物化學(xué)、免疫學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等多種技術(shù)，系統(tǒng)地解析了γδ TCR–CD3復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，揭開了γδ TCR獨(dú)特性質(zhì)的面紗。同時(shí)，基于結(jié)構(gòu)為免疫學(xué)家提供了見解，為γδ TCR更好地應(yīng)用于細(xì)胞免疫治療添磚加瓦。

γδTCR–CD3復(fù)合物可以識(shí)別在大小和結(jié)構(gòu)上不同的配體。

這也是研究團(tuán)隊(duì)打開γδ T細(xì)胞結(jié)構(gòu)免疫學(xué)大門的新起點(diǎn)。未來(lái)，他們將繼續(xù)行走在探索γδ T細(xì)胞的道路上，一起期待發(fā)現(xiàn)更美好的風(fēng)景！

西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘研究員周強(qiáng)與西湖大學(xué)施一公實(shí)驗(yàn)室助理研究員宿強(qiáng)（即將入職深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院，擔(dān)任特聘研究員）為該論文的通訊作者，西湖大學(xué)博士生辛維芝和黃邦棟、西湖大學(xué)博士后池希敏（現(xiàn)為廈門大學(xué)副教授）為論文的共同第一作者，科研助理劉悅?cè)A和許夢(mèng)姣、西湖大學(xué)博士生張媛媛參與了研究工作，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘研究員李旭對(duì)研究工作也有貢獻(xiàn)。山東大學(xué)黃啟來(lái)教授和中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞卓越創(chuàng)新中心許琛琦研究員提供了細(xì)胞系。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技部重點(diǎn)區(qū)域研究與發(fā)展計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和杭州市農(nóng)業(yè)與社會(huì)發(fā)展科學(xué)研究項(xiàng)目的支持，以及西湖大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、高性能計(jì)算中心、質(zhì)譜與代謝平臺(tái)、流式平臺(tái)、晶體學(xué)平臺(tái)、高通量平臺(tái)、顯微成像平臺(tái)的技術(shù)支持。