pMHC/TCR复合物的结构揭示TCR识别抗原与激活的机制

为了对抗各种外来病原体的侵染，机体进化出了很多适应性的免疫反应，比如T细胞可以通过其表面的T细胞受体（TCR）来识别抗原呈递细胞所呈递的肽段结合的主要组织相容性复合物（peptide-loaded major histocompatibility complex, pMHC），从而激活T细胞引发后续的免疫反应【1】。虽然有着数年的研究，但是T细胞如何结合pMHC及如何激活下游信号反应仍待研究解决。因此可以通过结构生物学的手段，来分析TCR在完全组装状态下结合pMHC前后的相似与不同，从而得出TCR识别与激活的机制。

2022年8月18日，来自来自德国法兰克福大学的Robert Tampé课题组和英国牛津大学的Simon J. Davis 课题组在Cell上发表了题为Structure of a fully assembled tumor-specific T cell receptor ligated by pMHC，通过使用冷冻电镜技术解析了黑色素瘤特异性的pMHC与TCRαβ/CD3δγε2ζ2复合物结合的结构，确定了TCR结合pMHC的表位，并发现了pMHC的有效TCR识别依赖于T细胞和抗原呈递细胞膜的准确预定位。通过比较结合pMHC前后的变化以及分子动力学模拟，发现TCR可以在没有自发结构重排的情况下被激活。同期，也有一篇类似的pMHC/TCR复合物结构文章在biorxiv上预发表。

首先，作者在体外表达了完全组装的TCR复合物，并与载有黑色素瘤相关的gp100肽段（YLEPGPVTV）的人类白细胞抗原HLA-A2结合从而制备冷冻电镜样品，最终解析的分辨率为3.08埃（图1A）。通过电镜密度可以发现其包含11个单独的蛋白质或者肽段组分，其中TCR-αβ异源二聚体与三聚体的pMHC结合，结合后呈现与细胞膜约60度的倾角（图1B）。

图1 pMHC/TCR复合物的结构

通过解析pMHC/TCR复合物的结构，可以分析gp100肽段被包埋在MHC重链中（图2A），而MHC重链被TCR-αβ的CDR区域（complementarity determining regions）所识别，同时与TCR-α亚基（图2B）和β亚基（图2C）存在着许多氨基酸的相互作用。

图2 TCR识别肿瘤相关的gp100/HLA-A2的分子机制

除了分析TCR与pMHC的相互作用，作者还额外分析了二聚体化的TCR-αβ、CD3-εδ、-εγ、-ζζ之间的相互作用，将其分为了三层（图3A）。在第一层中，则为TCR-α、TCR-β、CD3-ε、CD3-ε’、CD3-δ的IgSF结构域间的相互作用，使得CD3-εγ靠近TCR-β（图3C）、CD3-εδ靠近TCR-α（图3D），从而稳定TCR-αβ靠近细胞膜侧的倾斜重排；在第二层中，则主要为TCR-α与CD3-ζζ间的相互作用（图3E）；在第三层中，则为TCR-αβ、CD3-εδ、-εγ、-ζζ八根螺旋间的相互作用（图3F），还额外在CD3-ζ与CD3-γ间发现了胆固醇的密度（图3G），推测可能其对于CD3-ζζ同源二聚体与其他组分的结合起到了关键的作用。

图3 TCR各组分相互作用的关系网络

通过比较未结合pMHC的TCR结构【2】，作者发现TCR在结合pMHC前后没有发生显著的配体介导的结构重排，两个结构间的RMSD为1.2 Å（图4A）。仅仅非常细小的差别发生在一些loop和螺旋处（图4B、C、D、E）。而分子动力学模拟也同样没有非常大的构象差异。因此作者推测TCR在结合配体前后没有明显的构象变化，是一种刚体化的受体。

图4 TCR结合pMHC前后的结构比较

最后，作者推测TCR在结合pMHC前后可能发生的反应，在TCR结合pMHC后，作为辅助受体的CD8会结合到pMHC的另一侧，从而介导后续的反应（图5A）；而在结合pMHC前，抗原呈递细胞会伸出长长的CD58结合T细胞上的CD2从而拉近细胞间的距离，方便TCR对pMHC的识别与结合（图5B）。但是作者也指出本文的研究中存在着不足之处，比如TCR胞内侧的部分没有解析出来，那里是否会在结合配体后发生构象变化仍然需要后续的其他研究来解释清楚。

图5 TCR结合pMHC前后T细胞膜上可能出现的反应

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.010

转自：“北京生物结构前沿研究中心”微信公众号

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