Mol Cell | 揭示T細(xì)胞抗原受體信號多樣性的脂質(zhì)靜電調(diào)控機(jī)制
T細(xì)胞作為適應(yīng)性免疫的關(guān)鍵角色,其激活依賴T細(xì)胞受體(TCR)對遞呈抗原的精準(zhǔn)識別與信號傳遞。這一過程的異常不僅會導(dǎo)致免疫缺陷,還與腫瘤免疫逃逸、慢性感染中T細(xì)胞耗竭密切相關(guān)。長期以來,TCR信號如何實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)啟動”與“功能多樣性”一直是免疫領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題。作為抗原受體,TCR的核心功能在于將多樣的胞外抗原刺激信號轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)信號,從而指導(dǎo)精確的T細(xì)胞免疫程序。它由一個(gè)抗原識別亞基TCRαβ和三個(gè)信號亞基CD3εδ、CD3εγ和CD3ζζ構(gòu)成,其中四種CD3信號鏈的胞內(nèi)區(qū)共含有10個(gè)免疫受體酪氨酸活化基序(Immunoreceptor activation tyrosine-based motif, ITAM),即20個(gè)可磷酸化的酪氨酸位點(diǎn)。這些位點(diǎn)如何通過磷酸化組合產(chǎn)生特異性的抗原信號,仍然是免疫學(xué)中的未解之謎。近期,多項(xiàng)冷凍電鏡研究報(bào)道了TCR-CD3復(fù)合體結(jié)構(gòu),然而CD3胞內(nèi)信號區(qū)信息由于其無序性和高度動態(tài)性而缺失。因此,填補(bǔ)這一知識空白對于完整地理解抗原免疫應(yīng)答至關(guān)重要。
2025年10月2日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所施小山課題組、中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心許琛琦課題組與上??萍即髮W(xué)王皞鵬課題組合作,在Molecular Cell雜志上發(fā)表了題為“Lipid-regulated phosphorylation hierarchy of the T cell receptor tyrosine motifs”的封面研究論文。該研究利用核磁共振、定量質(zhì)譜和細(xì)胞實(shí)驗(yàn),解析了TCR-CD3復(fù)合物中關(guān)鍵信號亞基CD3ζ的胞內(nèi)區(qū)結(jié)構(gòu)以及磷酸化規(guī)律,揭示了正電基序(Basic residue Rich Sequence, BRS)與脂質(zhì)相互作用在其中的關(guān)鍵調(diào)控機(jī)制,同時(shí)提出CD3ζ磷酸化不充分是T細(xì)胞功能耗竭的誘因之一,為合成免疫受體的理性設(shè)計(jì)提供了新思路。
CD3ζζ同源二聚體是TCR-CD3復(fù)合物的主要信號亞基,每條CD3ζ的胞內(nèi)區(qū)含有3個(gè)ITAM,由此貢獻(xiàn)了TCR中60%的可磷酸化酪氨酸位點(diǎn)。CD3ζ胞內(nèi)區(qū)一直被用作嵌合抗原受體(CAR)的固定模塊,啟動其信號級聯(lián)反應(yīng)。為攻克“無序且動態(tài)”的CD3ζ胞內(nèi)區(qū)在結(jié)構(gòu)解析上的技術(shù)難題,研究團(tuán)隊(duì)采用模擬生理膜酸性磷脂環(huán)境的脂質(zhì)雙分子層(bicelle)系統(tǒng),結(jié)合溶液核磁共振(NMR)技術(shù),成功解析了CD3ζ胞內(nèi)信號區(qū)的動態(tài)結(jié)構(gòu)。CD3ζ的3個(gè)ITAM基序呈現(xiàn)“N端到C端梯度膜插入”的異質(zhì)性——N端的ITAM1膜插入程度最淺,中間的ITAM2膜插入程度居中,而C端的ITAM3膜插入程度最深。值得注意的是,ITAM的膜插入水平主要由其鄰近的BRS與脂質(zhì)的相互作用調(diào)控,而非由ITAM自身序列決定。這一發(fā)現(xiàn)明確了CD3ζ ITAM結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的分子基礎(chǔ)。
結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性往往對應(yīng)功能的特異性,研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究了ITAM膜插入差異對其磷酸化的影響。利用新型靶向定量質(zhì)譜等技術(shù),研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了脂質(zhì)依賴的磷酸化順序:在酸性脂質(zhì)存在時(shí),CD3ζ的3個(gè)ITAM呈現(xiàn)N端到C端的“順序磷酸化”——ITAM1磷酸化最快,ITAM2次之,ITAM3最慢;而在中性脂質(zhì)環(huán)境中,這種順序性完全消失。這一結(jié)果表明,脂質(zhì)通過調(diào)控ITAM的膜插入深度,直接決定了其被LCK激酶(TCR信號關(guān)鍵激酶)磷酸化的效率:膜插入淺的ITAM更易被激酶接觸,磷酸化更快;反之則更慢。為進(jìn)一步驗(yàn)證這一機(jī)制,研究團(tuán)隊(duì)突變了CD3ζ的BRS基序,破壞ITAM的膜插入梯度,磷酸化的順序性也隨之瓦解。這些結(jié)果證實(shí)了“BRS-lipid”的靜電相互作用是CD3ζ順序磷酸化的核心驅(qū)動因素。
TCR信號的精準(zhǔn)調(diào)控不僅關(guān)乎生理免疫應(yīng)答,更與病理狀態(tài)(如腫瘤、慢性感染)下的T細(xì)胞耗竭密切相關(guān)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究了慢性TCR刺激(模擬腫瘤微環(huán)境或慢性感染)對CD3ζ磷酸化的影響。結(jié)果表明:T細(xì)胞在耗竭過程中CD3ζ的磷酸化模式發(fā)生顯著改變——C端的ITAM3的磷酸化衰減速度遠(yuǎn)快于N端的ITAM1,這導(dǎo)致細(xì)胞中積累大量“部分磷酸化”的CD3ζ,進(jìn)而引發(fā)TCR信號不足。慢性刺激過程中ATP耗竭是這一異常的關(guān)鍵原因,因?yàn)锳TP不足使得膜插入程度高的酪氨酸不容易獲得磷酸化。這一發(fā)現(xiàn)為T細(xì)胞耗竭機(jī)制提供了新解釋:即除了免疫檢查點(diǎn)分子(如PD-1、LAG3等)外,TCR自身的磷酸化不足也是T細(xì)胞功能異常的重要原因。在多種人類腫瘤中,T細(xì)胞耗竭與TCR信號不足具有明確的相關(guān)性。
綜上所述,該研究通過生物物理學(xué)、生物化學(xué)和免疫學(xué)的多學(xué)科交叉,解析了CD3ζ胞內(nèi)區(qū)在生理酸性膜環(huán)境中的動態(tài)結(jié)構(gòu),闡明了靜電調(diào)控的ITAM的順序磷酸化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了T細(xì)胞耗竭的新機(jī)制,為免疫治療提供了新思路。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所施小山研究員、中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心許琛琦研究員以及上??萍即髮W(xué)王皞鵬研究員為該論文的共同通訊作者。分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李華副研究員、孟麗博士、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院褚純博士、分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李昌庭、楊皓晨為該論文的共同第一作者。本研究獲得了深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院公共技術(shù)平臺提供的技術(shù)支持,特別是質(zhì)譜平臺在數(shù)據(jù)采集過程中的專業(yè)支撐。
該論文被選為封面故事:六孔長笛象征含六個(gè)酪氨酸磷酸化位點(diǎn)的CD3ζ。正如不同的笛子孔位組合可產(chǎn)生各種音調(diào),不同的CD3ζ磷酸化組合也能產(chǎn)生多樣化的信號輸出,從而決定抗原免疫應(yīng)答的特異性。封面插畫由許琛琦課題組的張雨萌同學(xué)創(chuàng)作。

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原文鏈接:https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(25)00746-4

圖1 CD3ζ信號區(qū)的膜結(jié)合結(jié)構(gòu)及其磷酸化層級性

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