責編 ｜酶美
主要組織相容性複合體 (major histocompatibility complex, MHC) 限制性T 淋巴細胞 (T 細胞) 介導的細胞免疫，在脊椎動物的免疫系統中扮演著極重要的角色。近年來，T 細胞免疫應答機制的研究與應用促進了細胞免疫治療的長足發展，也讓免疫治療成為學術界與工業界追捧的熱點領域之一。對T細胞深入的基礎研究，將有助於對免疫系統的透徹理解與推動進一步在醫學領域的應用。這其中也包括對T細胞發育的研究。
每個T細胞克隆在它表面表達一個特定的T細胞受體（TCR）。它能識別由MHC分子遞呈到宿主細胞表面的來自於外源病原體或由癌變細胞產生的特異抗原。TCR由α鏈和β鏈組成。為了應對成千上萬的抗原，TCR的α鏈和β鏈由DNA的片段重組機理來產生對應的專一性的TCR分子。T 細胞的譜系發育決定完成於胸腺。由造血幹細胞（HSC）分化發育而來的淋巴細胞前體經骨髓遷移到胸腺後的初始階段是不表達TCR, 與其輔助受體CD4 和 CD8分子的，被稱為“雙陰性階段”(double negative stage，DN)。隨著細胞的分化發育過程，TCR, CD4和CD8共同表達於T細胞表面，稱為“雙陽性階段”（double positive stage，DP）。而後，在TCR的配體 I 型MHC（MHC-I）或 II型MHC (MHC-II) 選擇下，進入“單陽性階段”（single positive stage， SP），即形成MHC-I限制的 CD8+ T 細胞 與 MHC-II限制的CD4+ T 細胞。從DP 到SP的過程為T細胞的“陽性選擇”。隨著T細胞在胸腺繼續遷移，對自身抗原分子具有過強親和力，可能引發自身免疫的T細胞會接受細胞凋亡訊號而凋亡，最終只存留具有一定免疫耐受的 naïve T 細胞。這個過程被稱為T細胞的“陰性選擇”。經過DN—DP—SP—“陽性選擇”—“陰性選擇”後，T細胞離開胸腺進入次級淋巴器官形成我們所熟悉的具有特定功能的T細胞的前體。
而在整個T細胞分化過程中最不清楚的環節之一是DN的中間階段, 該階段可分為DN1,DN2,DN3以及DN4，也是TCR初始表達、選擇的關鍵。在DN2階段, TCR-β鏈經過DNA的V-D-J重排、首先表達，隨後進入DN3，一個關鍵的所謂“TCR-β選擇”階段。在此階段，TCR-β與一個α鏈前體（preTα 或 pTα）組合形成二聚體，即preTCR。在大量處於DN3發育階段的細胞中，只有那些其preTCR由有功能的TCR-β組成的細胞才得以進入下一步發育，其它多數TCR-β重組不成功的細胞則被淘汰。在preTCR介導的訊號成功啟用後，經過基因重排的TCR-α鏈會取代preTα鏈並與TCR-β形成新的二聚體，即具有能識別抗原的TCRαβ。 隨後，表達成熟TCRαβ 的 T細胞逐步進入上述DP階段。
大量的實驗表明，preTCR在T細胞分化的“TCR-β選擇”過程發揮著無可替代的作用，然而preTCR如何介導相應訊號，preTCR 介導的訊號啟用是否需要配體，長期以來在該領域中始終存在爭議。現行各版免疫學教科書中，“TCR-β選擇”依然處於相對空白狀態。更多的研究工作者並不認為配體是必要的【1-2】，而是透過preTCR/preTCR自發形成二聚體完成訊號啟用【3-4】。但越來越多生化、單分子、及基因序列分析等證據表明，這種preTCR/preTCR二聚假說可能是不成立的，且preTCR的訊號啟用需要pMHC【5-6】。
2020年12月17日，哈佛大學醫學院/Dana-Farber Cancer Institute 的Ellis L. Reinherz 和王家槐教授組（Reinherz/Wang團隊）在Science上線上發表了題為 Pre-T cell receptors topologically sample self-ligands during thymocyte β-selection 的研究論文（第一作者：李小龍博士，Réka Mizsei博士）。該研究利用x射線晶體學解析了preTCRβ-pΜΗC-I複合物結構 （圖1, A）， 揭示preTCR如何透過preTCRβ單一結構域拓撲性識別結合自身抗原的ΜΗC配體分子（圖1，A和B），為T細胞分化發育，特別是“TCR-β選擇”的研究翻開了嶄新的一頁。
圖1. A) preTCRβ-Kb-t2複合物的結構模型（preTCRβ:洋紅，Kb-t2:綠；肽：紅）。Β) preTCRβ-Kb-t2相互作用介面的拓撲展開。C) 參與相互作用的部分關鍵氨基酸。D) 三個獨立晶體結構共計九個TCRβ 的CDR3頂端氨基酸Trp97在MHC-I抗原結合部位的分佈。注：圖片來自原文
由於preTCR-pΜΗC的相互作用十分微弱，透過常規的蛋白-蛋白混合形成晶體非常困難。依據已有的研究，preTCR-pΜΗC相互作用是透過preTCRβ與pΜΗC的抗原結合域（α1，α2）。Reinherz/Wang團隊首先將preTCR與pΜΗC分別進行簡化處理，即僅使用preTCRβ與Kb-t2（鼠源MHC-I的α1，α2），並定點在preTCRβ和Kb-t2上引入半胱氨酸，然後透過修飾的PEG連線分子（BMPEG3）將preTCRβ與pΜΗC交聯在一起，併成功獲取複合物晶體。晶體結構顯示，TCRβ用其可變功能域 Vβ (variable domain of chain β) 拓撲性地結合於 Kb-t2的α2螺旋上，並使用其non-germline抗原決定簇 (complementarity-determining region-3, CDR3) “探視”結合於ΜΗC抗原結合溝槽中的肽段（圖1，A和D），而germline CDR1與CDR2則被排除在相互作用的介面之外（圖1, A）。形象地說，整個相互作用介面就如一個彎曲的手掌（TCRβ）抓在一個柱形體（α2）上，並用一根手指（CDR3）特異性地”鉗住” α2一側的抗原肽，另一根手指（CC’ loop）則“鉗住”α2的另一側，而掌心的疏水性氨基酸則堆積在α2正上方並與相應氨基酸的脂肪鍊形成疏水作用（圖1, C）。總體結果使得相互作用介面的形狀互補度（shape complementarity, Sc）和包埋面積（buried surface area, BSA）達到蛋白-蛋白相互作用的正常範圍內。
當把完整的preTCR與pΜΗC分子結構同時疊合到preTCRβ-Kb-t2複合物結構上，可以清楚地看到，與TCRαβ-pΜΗC複合物結構中的“頭-頭”的垂直相互作用相比（圖2, A右; C右），preTCR-pΜΗC複合物則是“水平”抓握式相互作用（圖2, A左; C左）。相應地也使得preTCR的Vβ 與TCRaβ的Vβ在pMHC相互作用表面投影區域截然不同（圖2, B）。這是一個完全出乎免疫學家意料之外的發現。
圖2. A-左) 完整的preTCR與Kb 結構同時疊合在preTCRβ-Kb-t2上的preTCR-pMHC-I結構模型（preTCRβ:洋紅；pre-Tα:黃；Kb:綠；肽：紅）；A-右) 經典 TCRaβ-pMHC-I複合物結構模型。Β) preTCR的Vβ 與TCRaβ的Vβ分別在pMHC相互作用表面投影（preTCR-Vβ:淺藍；TCRaβ-Vβ:淺紅）。C) preTCR-pMHC-I與TCRaβ-pMHC 在細胞表面上的卡通示意圖。注：圖片來自原文
為了進一步驗證該相互作用，Reinherz/Wang團隊嘗試了將化學交聯位點、抗原肽進行改變，並獲得樣品和晶體結構。結果顯示，三個獨立結構的preTCR-pΜΗC相互作用一致。此外，NMR技術相關實驗資料也在文章中予以展示。更為重要地，根據晶體結構界定的相互作用，該團隊利用小鼠模型，進行一系列的TCR關鍵相互作用位點突變。基於DN3a 至DP階段的資料分析，晶體結構中觀測到的關鍵相互作用的破壞會顯著地影響到小鼠Τ細胞的分化（圖3），進一步證明preTCR-pΜΗC的複合物結構的生物學相互作用。
圖3. A) T細胞發育示意圖 。Β) 基於圖一C）結構分析設計的preTCRβ突變的小鼠T細胞分化實驗。注：圖片來自原文
原文連結：
https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abe0918
製版人：十一
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