浙江大學一項研究發現:免疫T細胞用生物力“釣”出腫瘤細胞

發布時間:2019-02-21來源:浙大新聞辦作者:柯溢能 盧紹慶3512

免疫治療通過激活免疫T細胞的功能,特異性識別并消滅腫瘤細胞,是人類未來攻克癌癥的最有潛力的手段之一。免疫T細胞表面受體(T-cell Receptor, TCR)在識別并清除腫瘤細胞的過程中發揮著關鍵作用。但是,如何讓T細胞更好應用于癌癥治療一直是各國科學家面臨的重點和難點,而其中最核心的問題之一是TCR如何識別腫瘤細胞上的由基因突變所產生的新抗原(Neoantigen)(“非我”抗原)。

近日,浙江大學醫學院基礎醫學系陳偉教授課題組聯合中科院生物物理研究所婁繼忠團隊在國際知名期刊《分子細胞》(Molecular Cell)上發表了最新研究成果“Mechano-regulation of peptide-MHC class I conformations determines TCR antigen recognition”,從原子水平到細胞水平跨尺度揭示了生物力如何動態調控抗原呈遞分子(pMHC-I)的構象變化來決定TCR的非我抗原識別,闡釋了T細胞受體精準特異性識別非我抗原的分子機制。這項研究為未來尋找腫瘤新抗原以及基于新抗原的T細胞免疫治療提供了基礎理論和技術支持。

浙江大學醫學院基礎醫學系博士研究生武鵬、張同同和機械工程學院博士研究生費攀宇(醫工交叉培養),美國猶他大學劉寶玉博士以及中科院生物物理所研究助理崔蕾為該論文的共同第一作者,浙江大學醫學院基礎醫學系陳偉教授和中科院生物物理所婁繼忠研究員為該論文的共同通訊作者。

識別“自我”與“非我”

準確快速找到并清除受病原感染的細胞或者基因突變的腫瘤細胞是維護生命體健康的重要保障,人體免疫系統中的CD8+T淋巴細胞(T細胞)在此過程中的發揮著至關重要的作用。

T細胞主要通過其表面受體TCR特異性識別靶細胞表面MHC-I分子呈遞的“非我”或腫瘤新生抗原多肽(激動型),快速觸發T細胞殺傷靶細胞的免疫功能。然而,人體內抗原種類繁多(>1018),而且“非我”抗原和“自我”抗原的差別極小(往往僅相差幾個氨基酸殘基)。

TCR如何迅速、精準地在浩如煙海的“自我”抗原中找到“非我”抗原是免疫學領域中最核心的問題之一,也是未來臨床基于T細胞的免疫治療(特別是TCR-T)的關鍵之一。

T細胞用生物力“釣”出腫瘤細胞

T細胞沒有眼睛,那么它是如何識別“自我”與“非我”細胞的呢?陳偉教授曾于2014年在《細胞》(Cell)雜志上發表文章指出:TCR與激動型的抗原分子之間會產生特異性相互作用,且生物力可以增強其相互作用,從而放大“自我”與“非我”抗原之間的差別。

在本研究中,陳偉課題組進一步深入挖掘出了這個過程中的分子機制。他們發現,T細胞通過TCR分子與“非我”抗原相互作用后,生物力促使“非我”抗原的構象發生變化并與TCR形成“逆鎖鍵”,TCR與非我抗原“粘貼”更加緊密且相互作用增強;同時,對于“自我”抗原,不發生上述構象變化,由此生物力可以迅速將其與TCR分子分開并削弱它們之間的相互作用(圖1)。

圖1.(A)CD8+T 細胞識別腫瘤表面的“非我抗原。(B)TCR識別抗原的力學/化學耦聯調控的分子機制。“非我”抗原(激動型)能夠在生物力的誘導下, 發生構象變化,產生“逆鎖鍵”(Catch bond), 增強其與TCR的結合時間;而“自我”抗原,生物力無法產生其構象變化, 只能產生“滑移鍵”(slip bond)。

這個生物力,就好像釣魚時給魚竿的一個拉力——一拉魚竿,魚與魚鉤更加吃緊(圖2)。實驗發現:不加力的情況下,“自我”與“非我”抗原與TCR的結合時間差不多;但是在加力的情況下,“非我”抗原與TCR的結合時間要長出十幾倍。因此,生物力通過引發pMHC-I的構象變化,多部級聯放大“自我”和“非我”抗原的差別,幫助TCR實現精準的“非我”抗原識別。

圖2.“漁翁釣魚”來比擬TCR利用生物力與“非我”抗原產生逆鎖鍵,從而成功識別“非我”抗原。

研究結果不僅為T細胞精確識別不同抗原提供了重要的理論依據,同時對新生抗原的精確預測、新興免疫治療藥物的開發(特別是基于新抗原的TCR-T細胞免疫治療的研發)以及優化疾病臨床免疫治療方案提供了關鍵的基礎理論和技術支持。

“這也是本項研究的精彩之處,通過生物力,腫瘤細胞和正常細胞在生物學上的差異被放大。”陳偉說,“因此未來如何能夠通過這一規律,找到特異性識別腫瘤的T細胞并加以擴增,使其能夠更有效的殺傷腫瘤細胞,是未來腫瘤免疫治療(特別是實體瘤)的臨床研究的重要方向之一。”

“部分晚期腫瘤病人的PD-1的免疫治療效果不理想,其中一個原因有可能是T細胞激活的第一信號,抗原識別出了問題。”基于這個新機制,課題組還對臨床PD-1的免疫治療部分病人無效的潛在原因提出了新的觀點:腫瘤病人的HLA一類分子的基因突變或者基因類型可能影響pMHC在生物力情況下的構象變化,削弱了TCR的抗原識別,從而影響了PD-1等免疫治療中T細胞的有效激活。

醫工信交叉中不可小視的生物力

確實,在傳統生物學研究中,生物力常常被忽視。“但是,細胞在生命活動中會將生物力施加到蛋白分子上,這時參與到細胞相互作用及信號傳導中的力卻不能簡單忽略。”陳偉說。這也可以回答傳統蛋白結構研究中,科研人員總結出發現“自我”與“非我”結構上的差別規律隨著新的TCR及新抗原結構的發現,原有的區分規律不斷失效;而生物力所導致的抗原呈遞分子的構象變化很好地放大了“非我”和“自我”抗原分子的差別,揭示了更本質的TCR抗原識別的內在規律。

細胞內生物力是否真實存在呢?血流的剪切力,爬行中細胞骨架產生的拉力,細胞與細胞之間的粘附力等都可以作用在細胞及相關蛋白分子上。然而,就像我們身處重力環境下的萬有引力,直到牛頓被蘋果砸中人們才逐漸“看到”這個力的存在。

這項研究中,科研人員搭建了單分子檢測儀器,通過單細胞水平的單分子生物膜力學探針,定量檢測了一個T細胞受體和一個抗原分子之間生物力作用下的結合的時間,并測得細胞在尋找抗原的最佳力值和結合時間。另外,課題組通過高性能計算的分子動力學模擬計算出了TCR和抗原呈遞分子的力致動態構象變化規律,同時結合生物化學和生物物理的方法,利用單分子磁鑷技術直接觀測到抗原呈遞分子13納米左右的力致構象變化。

“觀測蛋白構象變化通常利用結晶、電鏡、熒光顯微鏡成像等準靜態的方法,但要達到納米級的直接動態觀測,特別是生物力作用下的蛋白質構象變化,上述方法比較難,而單分子力學操控技術則是一個更直接且更有效的方法,這也是去年諾貝爾物理學獎‘光鑷’技術的重要應用之一。”陳偉介紹說。

“學科交叉研究其實很不容易。”陳偉2014年回國就開始了這項研究,結合生物、物理、化學、工程、計算機等領域團隊,展開醫工信交叉的研究。“我雖然在醫學院工作,但本碩都是電氣工程學院畢業,希望未來能夠有更多的老師和同學進入到交叉合作的研究中。”陳偉笑著說,同時他對學校大力推進醫工信交叉研究特別支持。

這項研究受到國家科技部蛋白質重大研究計劃項目、國家自然科學基金委、浙江大學等項目經費的大力支持,特別感謝基礎醫學院、醫學院附屬第二醫院、機械工程學院的大力支持;同時該研究也受到了感染性疾病協同診治創新中心、生物醫學工程與儀器學院、現代光學國家重點實驗室等支持。

(文 柯溢能/攝影 盧紹慶) 

論文鏈接:https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(18)31072-4

陳偉教授個人主頁:https://person./jackweichen