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免疫治療通過激活免疫T細(xì)胞的功能，特異性識別并消滅腫瘤細(xì)胞，是人類未來攻克癌癥的最有潛力的手段之一。免疫T細(xì)胞表面受體(TCR)在識別并清除腫瘤細(xì)胞的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。但是，如何讓T細(xì)胞更好應(yīng)用于癌癥治療一直是各國科學(xué)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(xì)胞上的由基因突變所產(chǎn)生的新抗原(Neoantigen)(“非我”抗原)。
近日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系陳偉教授課題組聯(lián)合中科院生物物理研究所婁繼忠團(tuán)隊從原子水平到細(xì)胞水平跨尺度揭示了生物力如何動態(tài)調(diào)控抗原呈遞分子(pMHC-I)的構(gòu)象變化來決定TCR的非我抗原識別，闡釋了T細(xì)胞受體精準(zhǔn)特異性識別非我抗原的分子機(jī)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(xì)胞免疫治療提供了基礎(chǔ)理論和技術(shù)支持。
準(zhǔn)確快速找到并清除受病原感染的細(xì)胞或者基因突變的腫瘤細(xì)胞是維護(hù)生命體健康的重要保障，人體免疫系統(tǒng)中的CD8+T淋巴細(xì)胞(T細(xì)胞)在此過程中的發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
T細(xì)胞主要通過其表面受體TCR特異性識別靶細(xì)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(fā)T細(xì)胞殺傷靶細(xì)胞的免疫功能。然而，人體內(nèi)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(zhǔn)地在浩如煙海的“自我”抗原中找到“非我”抗原是免疫學(xué)領(lǐng)域中最核心的問題之一，也是未來臨床基于T細(xì)胞的免疫治療(特別是TCR-T)的關(guān)鍵之一。
TCR與激動型的抗原分子之間會產(chǎn)生特異性相互作用，且生物力可以增強(qiáng)其相互作用，從而放大“自我”與“非我”抗原之間的差別。課題組進(jìn)一步深入挖掘出了這個過程中的分子機(jī)制。發(fā)現(xiàn)T細(xì)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(gòu)象發(fā)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(qiáng);同時，對于“自我”抗原，不發(fā)生上述構(gòu)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。
實驗發(fā)現(xiàn)不加力的情況下，“自我”與“非我”抗原與TCR的結(jié)合時間差不多;但是在加力的情況下，“非我”抗原與TCR的結(jié)合時間要長出十幾倍。因此，生物力通過引發(fā)pMHC-I的構(gòu)象變化，多部級聯(lián)放大“自我”和“非我”抗原的差別，幫助TCR實現(xiàn)精準(zhǔn)的“非我”抗原識別。
研究結(jié)果不僅為T細(xì)胞精確識別不同抗原提供了重要的理論依據(jù)，同時對新生抗原的精確預(yù)測、新興免疫治療藥物的開發(fā)(特別是基于新抗原的TCR-T細(xì)胞免疫治療的研發(fā))以及優(yōu)化疾病臨床免疫治療方案提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)理論和技術(shù)支持。
通過生物力，腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞在生物學(xué)上的差異被放大。因此未來如何能夠通過這一規(guī)律，找到特異性識別腫瘤的T細(xì)胞并加以擴(kuò)增，使其能夠更有效的殺傷腫瘤細(xì)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(xì)胞激活的第一信號，抗原識別出了問題。基于這個新機(jī)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(gòu)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(xì)胞的有效激活。
科研人員總結(jié)出發(fā)現(xiàn)“自我”與“非我”結(jié)構(gòu)上的差別規(guī)律隨著新的TCR及新抗原結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，原有的區(qū)分規(guī)律不斷失效;而生物力所導(dǎo)致的抗原呈遞分子的構(gòu)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(zhì)的TCR抗原識別的內(nèi)在規(guī)律。
血流的剪切力，爬行中細(xì)胞骨架產(chǎn)生的拉力，細(xì)胞與細(xì)胞之間的粘附力等都可以作用在細(xì)胞及相關(guān)蛋白分子上。然而，就像身處重力環(huán)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(xì)胞水平的單分子生物膜力學(xué)探針，定量檢測了一個T細(xì)胞受體和一個抗原分子之間生物力作用下的結(jié)合的時間，并測得細(xì)胞在尋找抗原的最佳力值和結(jié)合時間。另外，課題組通過高性能計算的分子動力學(xué)模擬計算出了TCR和抗原呈遞分子的力致動態(tài)構(gòu)象變化規(guī)律，同時結(jié)合生物化學(xué)和生物物理的方法，利用單分子磁鑷技術(shù)直接觀測到抗原呈遞分子13納米左右的力致構(gòu)象變化。
觀測蛋白構(gòu)象變化通常利用結(jié)晶、電鏡、熒光顯微鏡成像等準(zhǔn)靜態(tài)的方法，但要達(dá)到納米級的直接動態(tài)觀測，特別是生物力作用下的蛋白質(zhì)構(gòu)象變化，上述方法比較難，而單分子力學(xué)操控技術(shù)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(xué)獎‘光鑷’技術(shù)的重要應(yīng)用之一。
