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陈伟课题组在《Molecular Cell》发文揭示生物力动态调控T细胞受体(TCR)识别抗原的分子机制

发布日期:2019年01月31日 11:00:27 来源:基础医学系
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2019年1月30日,葡京娱乐基础医学院/附属二院陈伟课题组与中科院生物物理研究所娄继忠课题组合作在《Molecular Cell》在线发表了最新的研究成果“Mechano-regulation of peptide-MHC class I conformations determines TCR antigen recognition”。该论文联合运用分子动力学模拟、单分子力学操纵、分子生物学及免疫学等方法,从原子水平到细胞水平跨尺度揭示了生物力如何通过动态调控抗原呈递分子pMHC-I的构象变化来决定TCR的非我抗原识别过程,阐明了T细胞受体(T cell receptor, TCR)精准特异识别非我抗原的分子机制,为未来寻找肿瘤新抗原(neoantigen)以及基于新抗原的T细胞免疫治疗提供了基础理论和技术支撑。葡京娱乐基础医学院博士研究生武鹏、张同同和机械工程学院博士研究生费攀宇(医工交叉培养),美国犹他大学刘宝玉博士以及中科院生物物理所研究助理崔蕾为该论文的共同第一编辑,葡京娱乐基础医学院陈伟教授和中科院生物物理所娄继忠研究员为该论文的共同通讯编辑。

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陈伟课题组成员:陈伟(前排左一)、武鹏(后排右三)、张同同(前排左五)和费攀宇(后排左二)

如何准确快速找到并清除受病原感染的细胞或者基因突变的肿瘤细胞是维护生命体健康的重要保障,人体免疫系统中的CD8+T淋巴细胞(T细胞)在此过程中的发挥着至关重要的作用。T细胞主要通过其表面受体TCR特异性识别靶细胞表面MHC-I分子呈递的“非我”或肿瘤新生抗原多肽(激动型),快速触发T细胞杀伤靶细胞的免疫功能。然而,大家体内抗原数目巨大(>1018),种类繁多,而且“非我”抗原和“自我”抗原的差别极小(往往仅相差几个氨基酸)。TCR如何迅速、精准地在浩如烟海的“自我”抗原中找到“非我”抗原是免疫学领域中最核心也是最本质的问题之一,也是未来临床基于T细胞的免疫治疗(特别是TCR-T)的核心之一,但是这种特异性识别的分子机制和结构基础仍不清楚。

近年来,生物学家逐渐认识到细胞运动、细胞之间的动态接触以及细胞膜的动态变化所产生的生物力可以精确调控膜受体及其配体的动态相互作用及并调控相关生物学功能。陈伟教授2014年在《Cell》上发表的研究工作表明生物力会延长细胞膜上TCR与激动型抗原pMHC-I间的结合时间,形成“逆锁键”(catch bond),而对于非激动型抗原pMHC-I,TCR/pMHC-I结合时间则将被缩短,形成“滑移键”(slip bond),而快速累积“逆锁键”是激活TCR的抗原识别的决定性因素。在本研究中,陈伟与娄继忠两个研究组进一步阐明了这种生物机械力调控TCR抗原识别能力的力学-化学耦合的动态调控机制和结构基础。

生物力引发pMHC-I的构象变化帮助TCR实现精准的抗原识别

在本研究中,研究团队通过分子动力学模拟和单分子生物物理技术(生物膜力学探针和磁镊)发现:生物力首先通过增强激动型抗原热点残基(hotspot)和TCR的互作,引起TCR-MHC-I分子接触面上若干残基的构象变化,来增强TCR/pMHC的结合强度,进而进一步触发MHC分子的β2m子链与α子链发生部分解离,引起α子链明显的转动构象变化,从而TCR和MHC表面产生了新的互作残基,最终延长了TCR-pMHC-I之间的结合时间,产生“逆锁键”以激活TCR;而对于非激动型抗原,缺少了关键热点残基诱发的生物力增强效果,进而无法产生“逆锁键”,也无法激活TCR。因此,生物力通过引发pMHC-I的构象变化,多部级联放大激动型和非激动型抗原肽的差别,帮助TCR实现精准的抗原识别。

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肿瘤特异性的MHC突变通过限制MHC构象变化减弱T细胞抗原识别能力

研究团队进一步发现,肿瘤相关的HLA-A2突变通过在α子链与β2m子链接触面上引起额外的氢键抑制HLA-A2的构象变化,从而减弱TCR/pMHC的逆锁键,潜在性地减弱或者破坏了TCR的抗原识别以及T细胞的活化。另外,他们还发现HLA的多态性也可能影响MHC的构象变化。他们发现HLA-B44亚型由于α子链与β2m子链接触面比B16更紧密,从而有可能更限制了MHC的转动而抑制了TCR的抗原识别的能力。这一发现可能为基于T细胞的肿瘤免疫疗法在一些癌症病人上没有产生应有的效果提供了说明。

综上,该研究团队从原子水平到细胞水平创新性地阐释了生物力通过增强TCR-pMHC之间结合强度并诱导MHC-I动态构象变化来调控TCR特异性识别抗原,研究结果不仅为T淋巴细胞精确识别不同抗原提供了重要的理论依据,同时对新生抗原的精确预测、新兴免疫疾病药物开发(特别是肿瘤抗原特异性的TCR-T细胞免疫治疗药物的研发)以及优化疾病临床免疫治疗方案提供了关键的基础理论和技术支撑。

该研究感谢国家科技部蛋白质重大研究计划项目、国家自然科学基金委、葡京娱乐等资金的大力支撑。同时,感谢葡京娱乐医学部、工学部(机械学院等)、信息学部(生仪学院等)以及中科院多位教授的大力支撑以及葡京娱乐医工交叉研究生培养项目的大力支撑。

陈伟课题组网址:https://person.zju.edu.cn/jackweichen

娄继忠课题组网址:http://www.ibp.cas.cn/ktzz/ktzz_L/201308/t20130828_3919975.html

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