学术动态
清华大学张永辉课题组《Immunity》发文报道γδ T细胞抗原识别机制
作者：张永辉 来源自：中国免疫学会 点击数：16536 发布时间：2019-04-22
2019年4月，清华大学药学院张永辉课题组在《Immunity》杂志上发表了题为“A structural change in butyrophilin upon phosphoantigen binding underlies phosphoantigen-mediated Vγ9Vδ2 T cell activation”最新研究成果，文章报道了γδ T细胞的抗原识别机制，揭示了免疫治疗的新靶点。这是继2018年底该课题组在《Cell》杂志 上发表关于“甲羟戊酸通路是疫苗佐剂靶点”工作后，在T细胞抗原识别机制研究方面的又一最新进展。
CD4、CD8 T细胞是现代免疫治疗的研究重点。无论是以PD-1抗体为代表的免疫检查点抑制剂，还是CAR-T细胞过继疗法，其核心功能细胞都是CD4、CD8 T细胞。根据T细胞受体链组成的不同，这类细胞被划分为αβ T细胞。αβ T细胞能通过其表面受体TCR特异性识别靶细胞表面MHC分子呈递的“非我”或肿瘤新生多肽抗原，这是现代免疫治疗的核心理论之一。张永辉课题组2018年曾在《Cell》撰文，揭示甲羟戊酸通路通过调控树突状细胞中类异戊二烯焦磷酸含量，影响了αβ T细胞对抗原的识别。
根据TCR链的不同 还有一类T细胞被定义为γδ T细胞。在人的外周血中，其主要的γδ T细胞亚群叫做Vγ9Vδ2 T细胞。与αβ T细胞不同的是，这类γδ T细胞并不识别多肽抗原，但能有效地杀灭肿瘤和病原体。这主要是因为它们能识别肿瘤细胞由于代谢异常而分泌的焦膦酸代谢物DMAPP，IPP，以及病原体产生的HMBPP（(E)-1-hydroxy-2-methyl-but-2-enyl 4-diphosphate）（结构见下图A）。这些焦膦酸类代谢产物被称为膦抗原。外源性的HMBPP从化学结构上比肿瘤产生的内源性的DMAPP、IPP多一个羟基；而这一个小小的羟基使HMBPP激活γδ T细胞的活性比DMAPP、IPP高近千倍，其EC50在pM级别。这些特殊的脂类代谢产物尤其是HMBPP是如何激活γδ T细胞的呢？这是T细胞领域长期一直未能回答的问题之一。γδ T细胞识别这些膦抗原并不受MHC分子的限制。
（A）膦抗原的结构以及其与BTN3A1结合并激活γδ T细胞的示意图；（B）HMBPP结合在不对称二聚体的界面中间；（C）传统的T细胞识别的抗原结合在抗原递呈分子的胞外段（模型I、II。III），而膦抗原结合在BTN3A1的胞内段，采取一种“由内而外”的信号传导模式（模型IV）。
该领域的前期研究表明乳糜蛋白3A1(BTN3A1)是膦抗原的递呈分子。BTN3A1是一次跨膜蛋白，属于B7相关的分子，其胞外段与PD-L1结构相似。2013年Nature Immunology发表晶体结构证明膦抗原结合在胞外段，而随后2014年Immunity的结构工作则显示膦抗原结合在该蛋白的胞内段。但是这些晶体结构中膦抗原的电子云密度都存在严重缺陷，这极大地限制了γδ T细胞激活机制的阐释。到目前为止，膦抗原与BTN3A1的具体结合模式如何，以及它如何通过BTN3A1激活了γδ T细胞一直存在大量的争议。在过去4年中，张永辉团队系统地研究了γδ T细胞对膦抗原HMBPP的识别模式（图A）。他们通过晶体结构研究发现HMBPP结合在BTN3A1的胞内段，其中HMBPP的焦磷酸头部与蛋白的6个碱性氨基酸存在氢键或盐桥的结合，而其独特的羟基则与BTN3A1胞内段氨基酸H351、Y352形成了2个氢键。这种氢键结合在内源性抗原DMAPP, IPP上是观察不到的。这就从结构生物学上解释了病原体产生的HMBPP为什么比内源的DMAPP、IPP能更好地激活γδ T细胞。该团队继而通过化学生物学手段、尤其是小分子探针的策略，发现BTN3A1的单体本身并不足以将HMBPP的结合信号传导给γδ T细胞，并推断BTN3A1胞内段可能是以不对称二聚体的模式将HMBPP结合引起的构象变化传递到细胞外。而后续的突变、晶体结构、免疫功能及分子动力学等一系列研究则表明，HMBPP的羟基帮助引发了胞内段氨基酸H351及周围区域构象的变化，而不对称的二聚体能帮助这种变化更有效地通过跨膜区传到细胞外。最后，该团队借助于单细胞原子力显微镜等生物物理手段，发现这种胞外段的构象变化引起了BTN3A1胞外段与γδ T细胞受体结合能力的加倍，从而促进了对γδ T细胞的激活。
BTN3A1采取这种罕见的“由内而外”的信号传导模式帮助膦抗原激活了γδ T细胞，这与目前免疫学中传统的T细胞抗原识别模式截然不同。在传统的3种T细胞抗原识别模式中（图C - I，II，III），抗原都是结合在抗原递呈分子例如MHC的胞外段，从而实现与T细胞受体更有效的结合。因此，该研究帮助完善了T细胞抗原识别的第四种模型（图C - IV）。
需要指出的是，当前免疫治疗虽然取得了重大的突破，但以αβ T细胞为主的CAR-T细胞疗法对实体瘤尚未取得突破，而且很难实现异体的细胞治疗，这极大地限制了其应用空间。而γδ T细胞可用于异体治疗的特质及其在实体瘤乃至一些传染性疾病治疗中的潜力促使国际医药企业在该领域纷纷布局。理解γδ T细胞对肿瘤及病原体的识别机制将有助于发展更好的细胞治疗方案。此外，该领域长期缺乏高质量的小分子帮助γδ T细胞的有效扩增，以及对肿瘤细胞的高效识别。张永辉研究团队关于BTN3A1蛋白的深入研究，为发展基于γδ T细胞治疗的小分子药物提供了非常有效的靶点。
CD4、CD8 T细胞是现代免疫治疗的研究重点。无论是以PD-1抗体为代表的免疫检查点抑制剂，还是CAR-T细胞过继疗法，其核心功能细胞都是CD4、CD8 T细胞。根据T细胞受体链组成的不同，这类细胞被划分为αβ T细胞。αβ T细胞能通过其表面受体TCR特异性识别靶细胞表面MHC分子呈递的“非我”或肿瘤新生多肽抗原，这是现代免疫治疗的核心理论之一。张永辉课题组2018年曾在《Cell》撰文，揭示甲羟戊酸通路通过调控树突状细胞中类异戊二烯焦磷酸含量，影响了αβ T细胞对抗原的识别。
根据TCR链的不同 还有一类T细胞被定义为γδ T细胞。在人的外周血中，其主要的γδ T细胞亚群叫做Vγ9Vδ2 T细胞。与αβ T细胞不同的是，这类γδ T细胞并不识别多肽抗原，但能有效地杀灭肿瘤和病原体。这主要是因为它们能识别肿瘤细胞由于代谢异常而分泌的焦膦酸代谢物DMAPP，IPP，以及病原体产生的HMBPP（(E)-1-hydroxy-2-methyl-but-2-enyl 4-diphosphate）（结构见下图A）。这些焦膦酸类代谢产物被称为膦抗原。外源性的HMBPP从化学结构上比肿瘤产生的内源性的DMAPP、IPP多一个羟基；而这一个小小的羟基使HMBPP激活γδ T细胞的活性比DMAPP、IPP高近千倍，其EC50在pM级别。这些特殊的脂类代谢产物尤其是HMBPP是如何激活γδ T细胞的呢？这是T细胞领域长期一直未能回答的问题之一。γδ T细胞识别这些膦抗原并不受MHC分子的限制。
该领域的前期研究表明乳糜蛋白3A1(BTN3A1)是膦抗原的递呈分子。BTN3A1是一次跨膜蛋白，属于B7相关的分子，其胞外段与PD-L1结构相似。2013年Nature Immunology发表晶体结构证明膦抗原结合在胞外段，而随后2014年Immunity的结构工作则显示膦抗原结合在该蛋白的胞内段。但是这些晶体结构中膦抗原的电子云密度都存在严重缺陷，这极大地限制了γδ T细胞激活机制的阐释。到目前为止，膦抗原与BTN3A1的具体结合模式如何，以及它如何通过BTN3A1激活了γδ T细胞一直存在大量的争议。在过去4年中，张永辉团队系统地研究了γδ T细胞对膦抗原HMBPP的识别模式（图A）。他们通过晶体结构研究发现HMBPP结合在BTN3A1的胞内段，其中HMBPP的焦磷酸头部与蛋白的6个碱性氨基酸存在氢键或盐桥的结合，而其独特的羟基则与BTN3A1胞内段氨基酸H351、Y352形成了2个氢键。这种氢键结合在内源性抗原DMAPP, IPP上是观察不到的。这就从结构生物学上解释了病原体产生的HMBPP为什么比内源的DMAPP、IPP能更好地激活γδ T细胞。该团队继而通过化学生物学手段、尤其是小分子探针的策略，发现BTN3A1的单体本身并不足以将HMBPP的结合信号传导给γδ T细胞，并推断BTN3A1胞内段可能是以不对称二聚体的模式将HMBPP结合引起的构象变化传递到细胞外。而后续的突变、晶体结构、免疫功能及分子动力学等一系列研究则表明，HMBPP的羟基帮助引发了胞内段氨基酸H351及周围区域构象的变化，而不对称的二聚体能帮助这种变化更有效地通过跨膜区传到细胞外。最后，该团队借助于单细胞原子力显微镜等生物物理手段，发现这种胞外段的构象变化引起了BTN3A1胞外段与γδ T细胞受体结合能力的加倍，从而促进了对γδ T细胞的激活。
BTN3A1采取这种罕见的“由内而外”的信号传导模式帮助膦抗原激活了γδ T细胞，这与目前免疫学中传统的T细胞抗原识别模式截然不同。在传统的3种T细胞抗原识别模式中（图C - I，II，III），抗原都是结合在抗原递呈分子例如MHC的胞外段，从而实现与T细胞受体更有效的结合。因此，该研究帮助完善了T细胞抗原识别的第四种模型（图C - IV）。
需要指出的是，当前免疫治疗虽然取得了重大的突破，但以αβ T细胞为主的CAR-T细胞疗法对实体瘤尚未取得突破，而且很难实现异体的细胞治疗，这极大地限制了其应用空间。而γδ T细胞可用于异体治疗的特质及其在实体瘤乃至一些传染性疾病治疗中的潜力促使国际医药企业在该领域纷纷布局。理解γδ T细胞对肿瘤及病原体的识别机制将有助于发展更好的细胞治疗方案。此外，该领域长期缺乏高质量的小分子帮助γδ T细胞的有效扩增，以及对肿瘤细胞的高效识别。张永辉研究团队关于BTN3A1蛋白的深入研究，为发展基于γδ T细胞治疗的小分子药物提供了非常有效的靶点。