最新研究成果 | 脂化學(xué)生物學(xué)最新進(jìn)展：清華大學(xué)藥學(xué)院張永輝課題組在《Immunity》發(fā)文報(bào)道γδ T細(xì)胞抗原識(shí)別機(jī)制，聚焦免疫治療新靶
時(shí)間：2021-04-09 00:37:03學(xué)院：藥學(xué)院學(xué)校：清華大學(xué)
2019年3月19日，清華大學(xué)藥學(xué)院張永輝課題組在《Immunity》雜志上在線發(fā)表了題為“膦抗原通過結(jié)合乳糜蛋白誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化激活Vγ9Vδ2?T細(xì)胞” (A structural change in butyrophilin upon phosphoantigen binding underlies phosphoantigen-mediated Vγ9Vδ2 T cell activation) 的研究論文，報(bào)道了γδ T細(xì)胞的抗原識(shí)別機(jī)制，揭示了免疫治療的新靶點(diǎn)。這是繼2018年底該課題組在《Cell》雜志?上發(fā)表關(guān)于“甲羥戊酸通路是疫苗佐劑靶點(diǎn)”工作后，在免疫治療領(lǐng)域的又一最新進(jìn)展。同時(shí)，這兩項(xiàng)工作也代表了張永輝課題組在脂化學(xué)生物學(xué)，尤其是類異戊二烯代謝領(lǐng)域的最新研究成果。
自然界是豐富多彩的，其生物合成的多樣性與兩個(gè)類異戊二烯焦磷酸小分子IPP、DMAPP息息相關(guān)（圖1）。這兩個(gè)小分子衍生出自然界分布最廣的天然產(chǎn)物，即類異戊二烯化合物，它們存在于植物、細(xì)胞、寄生蟲及細(xì)菌等幾乎每一種生命形式中，包括青蒿素、紫杉醇、膽固醇以及輔酶Q10等眾多分子。探索類異戊二烯化合物的功能、調(diào)控對(duì)象及其生理學(xué)意義曾長(zhǎng)期是上世紀(jì)科學(xué)領(lǐng)域所關(guān)注的前沿課題。
在真核細(xì)胞中，DMAPP和IPP最終生成了膽固醇，同時(shí)也產(chǎn)生了下游長(zhǎng)碳鏈的類異戊二烯焦磷酸例如GGPP等（圖1）。上個(gè)世紀(jì)科學(xué)家們(Konrad Emil Bloch, Joseph Goldstein、Michael Brown等)關(guān)注于膽固醇的生物合成及其負(fù)調(diào)控機(jī)制，這些杰出的工作幫助人類深入地了解了生命體的奧秘，并促進(jìn)了他汀這一歷史銷售量最大的小分子藥物的誕生。相比較而言，科學(xué)家對(duì)GGPP的關(guān)注相對(duì)較少。2018年11月，張永輝課題組曾在《Cell》雜志?上發(fā)表文章，報(bào)道樹突狀細(xì)胞中GGPP的含量可以影響小G蛋白（例如Rab5）的脂化修飾，影響了內(nèi)體運(yùn)輸、MHC-多肽抗原復(fù)合物的豐度，以及最終對(duì)CD4和CD8 T細(xì)胞的活化。根據(jù)T細(xì)胞受體鏈組成的不同，CD4和CD8 T細(xì)胞被劃分為αβ T細(xì)胞。αβ T細(xì)胞能通過其表面受體TCR特異性識(shí)別靶細(xì)胞表面MHC分子呈遞的“非我”或腫瘤新生多肽抗原，這是現(xiàn)代免疫治療的核心理論之一。
圖1：各種類異戊二烯焦磷酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其中DMAPP, IPP是合成膽固醇及GGPP的起始底物，而GGPP可以調(diào)控αβ T細(xì)胞對(duì)抗原的識(shí)別；HMBPP則是目前γδ T細(xì)胞刺激活性最強(qiáng)的膦抗原。
而根據(jù)TCR鏈的不同，還有一類T細(xì)胞叫做γδ T細(xì)胞。人外周血中主要的γδ T細(xì)胞亞群是Vγ9Vδ2 T細(xì)胞。與αβ T細(xì)胞不同的是，這類γδ T細(xì)胞并不識(shí)別多肽抗原，但能有效地殺滅腫瘤和病原體。這是因?yàn)槟[瘤細(xì)胞中膽固醇代謝通路異常會(huì)使其累積大量的DMAPP、IPP；同時(shí)，病原體包括革蘭氏陰性菌和瘧原蟲能產(chǎn)生另外一種類異戊二烯焦磷酸HMBPP。DAMPP、IPP和HMBPP能激活γδ T細(xì)胞，這些類異戊二烯焦磷酸化合物被稱為“膦抗原”。其中，HMBPP比DAMPP、IPP在化學(xué)結(jié)構(gòu)上多一個(gè)羥基（圖1），但活性卻強(qiáng)于后者近千倍。
γδ T細(xì)胞識(shí)別這些膦抗原并不受MHC分子的限制。該領(lǐng)域的前期研究表明乳糜蛋白3A1(BTN3A1)是膦抗原的遞呈分子。BTN3A1是一次跨膜蛋白，屬于B7相關(guān)的分子。膦抗原是如何通過BTN3A1激活γδ T細(xì)胞的呢？這是T細(xì)胞領(lǐng)域長(zhǎng)期一直未能回答的問題。
在過去4年中，張永輝團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了γδ T細(xì)胞對(duì)膦抗原HMBPP的識(shí)別模式（圖2）。他們通過晶體結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)HMBPP結(jié)合在BTN3A1的胞內(nèi)段，其中HMBPP的焦磷酸頭部與蛋白的6個(gè)堿性氨基酸存在氫鍵或鹽橋的結(jié)合，而其獨(dú)特的羥基則與BTN3A1胞內(nèi)段氨基酸H351、Y352形成了2個(gè)氫鍵。這種氫鍵結(jié)合在內(nèi)源性抗原DMAPP, IPP上是觀察不到的。這就從結(jié)構(gòu)生物學(xué)上解釋了病原體產(chǎn)生的HMBPP為什么比內(nèi)源的DMAPP、IPP能更好地激活γδ T細(xì)胞。該團(tuán)隊(duì)繼而通過化學(xué)生物學(xué)手段、尤其是小分子探針的策略，發(fā)現(xiàn)BTN3A1的單體本身并不足以將HMBPP的結(jié)合信號(hào)傳導(dǎo)給γδ T細(xì)胞，并推斷BTN3A1胞內(nèi)段可能是以不對(duì)稱二聚體的模式將HMBPP結(jié)合引起的構(gòu)象變化傳遞到細(xì)胞外。而后續(xù)的突變、晶體結(jié)構(gòu)、免疫功能及分子動(dòng)力學(xué)等一系列研究則表明，HMBPP的羥基幫助引發(fā)了胞內(nèi)段氨基酸H351及周圍區(qū)域構(gòu)象的變化，而不對(duì)稱的二聚體能幫助這種變化更有效地通過跨膜區(qū)傳到細(xì)胞外。最后，該團(tuán)隊(duì)借助于單細(xì)胞原子力顯微鏡等生物物理手段，發(fā)現(xiàn)這種胞外段的構(gòu)象變化引起了BTN3A1胞外段與γδ T細(xì)胞受體結(jié)合能力的加倍，從而促進(jìn)了對(duì)γδ T細(xì)胞的激活。
圖2：本研究總結(jié)的γδ T細(xì)胞對(duì)膦抗原HMBPP的識(shí)別模式
BTN3A1采取這種罕見的“由內(nèi)而外”的信號(hào)傳導(dǎo)模式幫助膦抗原激活了γδ T細(xì)胞，這與目前免疫學(xué)中傳統(tǒng)的T細(xì)胞抗原識(shí)別模式截然不同。在傳統(tǒng)的3種T細(xì)胞抗原識(shí)別模式中（圖3 - I，II，III），抗原都是結(jié)合在抗原遞呈分子例如MHC的胞外段，從而實(shí)現(xiàn)與T細(xì)胞受體更有效的結(jié)合。因此，該研究幫助完善了T細(xì)胞抗原識(shí)別的第四種模型（圖3 - IV）。
圖3：T細(xì)胞抗原識(shí)別模式，前三種都屬于αβ T細(xì)胞。第四種為γδ T細(xì)胞。
該工作于2019年3月19日在線發(fā)表在《Immunity》雜志上，它揭示了低碳數(shù)的類異戊二烯焦磷酸是如何激活γδ T細(xì)胞。而該小組于2018年發(fā)表在《Cell》雜志上的工作，發(fā)現(xiàn)了高碳數(shù)的類異戊二烯焦磷酸GGPP是如何調(diào)節(jié)αβ T細(xì)胞對(duì)抗原的識(shí)別。張永輝團(tuán)隊(duì)這兩項(xiàng)研究，從整體上揭示了類異戊二烯焦磷酸這一類特殊的脂類分子對(duì)T細(xì)胞應(yīng)答的精妙調(diào)控。
需要指出的是，當(dāng)前免疫治療雖然取得了重大的突破，但以αβ T細(xì)胞為主的CAR-T細(xì)胞療法對(duì)實(shí)體瘤尚未取得突破，而且很難實(shí)現(xiàn)異體的細(xì)胞治療，這極大地限制了其應(yīng)用空間。而γδ T細(xì)胞可用于異體治療的特質(zhì)及其在實(shí)體瘤乃至一些傳染性疾病治療中的潛力促使國際醫(yī)藥企業(yè)在該領(lǐng)域紛紛布局。理解γδ T細(xì)胞對(duì)腫瘤及病原體的識(shí)別機(jī)制將有助于發(fā)展更好的細(xì)胞治療方案。此外，該領(lǐng)域長(zhǎng)期缺乏高質(zhì)量的小分子幫助γδ T細(xì)胞的有效擴(kuò)增，以及對(duì)腫瘤細(xì)胞的高效識(shí)別。張永輝研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于BTN3A1蛋白的深入研究，為發(fā)展基于γδ T細(xì)胞治療的小分子藥物提供了非常有效的靶點(diǎn)。
清華大學(xué)藥學(xué)院張永輝研究員是本文的核心通訊作者。此外，湖北大學(xué)生科院、省部共建生物催化與酶工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的郭瑞庭教授參與了研究討論、晶體數(shù)據(jù)的分析；美國伊利諾伊大學(xué)Eric Oldfield教授參與了研究的討論及論文撰寫，為文章的共同通訊作者。張永輝課題組博士生楊云云、李麗平、袁琳潔及周曉英為論文的共同第一作者。清華大學(xué)免疫研究所石彥、劉萬里小組也參與了部分研究。該研究得到了自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華大學(xué)蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心、清華大學(xué)藥學(xué)技術(shù)中心的支持和幫助。
原文鏈接：https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(19)30083-4
自然界是豐富多彩的，其生物合成的多樣性與兩個(gè)類異戊二烯焦磷酸小分子IPP、DMAPP息息相關(guān)（圖1）。這兩個(gè)小分子衍生出自然界分布最廣的天然產(chǎn)物，即類異戊二烯化合物，它們存在于植物、細(xì)胞、寄生蟲及細(xì)菌等幾乎每一種生命形式中，包括青蒿素、紫杉醇、膽固醇以及輔酶Q10等眾多分子。探索類異戊二烯化合物的功能、調(diào)控對(duì)象及其生理學(xué)意義曾長(zhǎng)期是上世紀(jì)科學(xué)領(lǐng)域所關(guān)注的前沿課題。
在真核細(xì)胞中，DMAPP和IPP最終生成了膽固醇，同時(shí)也產(chǎn)生了下游長(zhǎng)碳鏈的類異戊二烯焦磷酸例如GGPP等（圖1）。上個(gè)世紀(jì)科學(xué)家們(Konrad Emil Bloch, Joseph Goldstein、Michael Brown等)關(guān)注于膽固醇的生物合成及其負(fù)調(diào)控機(jī)制，這些杰出的工作幫助人類深入地了解了生命體的奧秘，并促進(jìn)了他汀這一歷史銷售量最大的小分子藥物的誕生。相比較而言，科學(xué)家對(duì)GGPP的關(guān)注相對(duì)較少。2018年11月，張永輝課題組曾在《Cell》雜志?上發(fā)表文章，報(bào)道樹突狀細(xì)胞中GGPP的含量可以影響小G蛋白（例如Rab5）的脂化修飾，影響了內(nèi)體運(yùn)輸、MHC-多肽抗原復(fù)合物的豐度，以及最終對(duì)CD4和CD8 T細(xì)胞的活化。根據(jù)T細(xì)胞受體鏈組成的不同，CD4和CD8 T細(xì)胞被劃分為αβ T細(xì)胞。αβ T細(xì)胞能通過其表面受體TCR特異性識(shí)別靶細(xì)胞表面MHC分子呈遞的“非我”或腫瘤新生多肽抗原，這是現(xiàn)代免疫治療的核心理論之一。
圖1：各種類異戊二烯焦磷酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其中DMAPP, IPP是合成膽固醇及GGPP的起始底物，而GGPP可以調(diào)控αβ T細(xì)胞對(duì)抗原的識(shí)別；HMBPP則是目前γδ T細(xì)胞刺激活性最強(qiáng)的膦抗原。
而根據(jù)TCR鏈的不同，還有一類T細(xì)胞叫做γδ T細(xì)胞。人外周血中主要的γδ T細(xì)胞亞群是Vγ9Vδ2 T細(xì)胞。與αβ T細(xì)胞不同的是，這類γδ T細(xì)胞并不識(shí)別多肽抗原，但能有效地殺滅腫瘤和病原體。這是因?yàn)槟[瘤細(xì)胞中膽固醇代謝通路異常會(huì)使其累積大量的DMAPP、IPP；同時(shí)，病原體包括革蘭氏陰性菌和瘧原蟲能產(chǎn)生另外一種類異戊二烯焦磷酸HMBPP。DAMPP、IPP和HMBPP能激活γδ T細(xì)胞，這些類異戊二烯焦磷酸化合物被稱為“膦抗原”。其中，HMBPP比DAMPP、IPP在化學(xué)結(jié)構(gòu)上多一個(gè)羥基（圖1），但活性卻強(qiáng)于后者近千倍。
γδ T細(xì)胞識(shí)別這些膦抗原并不受MHC分子的限制。該領(lǐng)域的前期研究表明乳糜蛋白3A1(BTN3A1)是膦抗原的遞呈分子。BTN3A1是一次跨膜蛋白，屬于B7相關(guān)的分子。膦抗原是如何通過BTN3A1激活γδ T細(xì)胞的呢？這是T細(xì)胞領(lǐng)域長(zhǎng)期一直未能回答的問題。
在過去4年中，張永輝團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了γδ T細(xì)胞對(duì)膦抗原HMBPP的識(shí)別模式（圖2）。他們通過晶體結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)HMBPP結(jié)合在BTN3A1的胞內(nèi)段，其中HMBPP的焦磷酸頭部與蛋白的6個(gè)堿性氨基酸存在氫鍵或鹽橋的結(jié)合，而其獨(dú)特的羥基則與BTN3A1胞內(nèi)段氨基酸H351、Y352形成了2個(gè)氫鍵。這種氫鍵結(jié)合在內(nèi)源性抗原DMAPP, IPP上是觀察不到的。這就從結(jié)構(gòu)生物學(xué)上解釋了病原體產(chǎn)生的HMBPP為什么比內(nèi)源的DMAPP、IPP能更好地激活γδ T細(xì)胞。該團(tuán)隊(duì)繼而通過化學(xué)生物學(xué)手段、尤其是小分子探針的策略，發(fā)現(xiàn)BTN3A1的單體本身并不足以將HMBPP的結(jié)合信號(hào)傳導(dǎo)給γδ T細(xì)胞，并推斷BTN3A1胞內(nèi)段可能是以不對(duì)稱二聚體的模式將HMBPP結(jié)合引起的構(gòu)象變化傳遞到細(xì)胞外。而后續(xù)的突變、晶體結(jié)構(gòu)、免疫功能及分子動(dòng)力學(xué)等一系列研究則表明，HMBPP的羥基幫助引發(fā)了胞內(nèi)段氨基酸H351及周圍區(qū)域構(gòu)象的變化，而不對(duì)稱的二聚體能幫助這種變化更有效地通過跨膜區(qū)傳到細(xì)胞外。最后，該團(tuán)隊(duì)借助于單細(xì)胞原子力顯微鏡等生物物理手段，發(fā)現(xiàn)這種胞外段的構(gòu)象變化引起了BTN3A1胞外段與γδ T細(xì)胞受體結(jié)合能力的加倍，從而促進(jìn)了對(duì)γδ T細(xì)胞的激活。
圖2：本研究總結(jié)的γδ T細(xì)胞對(duì)膦抗原HMBPP的識(shí)別模式
BTN3A1采取這種罕見的“由內(nèi)而外”的信號(hào)傳導(dǎo)模式幫助膦抗原激活了γδ T細(xì)胞，這與目前免疫學(xué)中傳統(tǒng)的T細(xì)胞抗原識(shí)別模式截然不同。在傳統(tǒng)的3種T細(xì)胞抗原識(shí)別模式中（圖3 - I，II，III），抗原都是結(jié)合在抗原遞呈分子例如MHC的胞外段，從而實(shí)現(xiàn)與T細(xì)胞受體更有效的結(jié)合。因此，該研究幫助完善了T細(xì)胞抗原識(shí)別的第四種模型（圖3 - IV）。
圖3：T細(xì)胞抗原識(shí)別模式，前三種都屬于αβ T細(xì)胞。第四種為γδ T細(xì)胞。
該工作于2019年3月19日在線發(fā)表在《Immunity》雜志上，它揭示了低碳數(shù)的類異戊二烯焦磷酸是如何激活γδ T細(xì)胞。而該小組于2018年發(fā)表在《Cell》雜志上的工作，發(fā)現(xiàn)了高碳數(shù)的類異戊二烯焦磷酸GGPP是如何調(diào)節(jié)αβ T細(xì)胞對(duì)抗原的識(shí)別。張永輝團(tuán)隊(duì)這兩項(xiàng)研究，從整體上揭示了類異戊二烯焦磷酸這一類特殊的脂類分子對(duì)T細(xì)胞應(yīng)答的精妙調(diào)控。
需要指出的是，當(dāng)前免疫治療雖然取得了重大的突破，但以αβ T細(xì)胞為主的CAR-T細(xì)胞療法對(duì)實(shí)體瘤尚未取得突破，而且很難實(shí)現(xiàn)異體的細(xì)胞治療，這極大地限制了其應(yīng)用空間。而γδ T細(xì)胞可用于異體治療的特質(zhì)及其在實(shí)體瘤乃至一些傳染性疾病治療中的潛力促使國際醫(yī)藥企業(yè)在該領(lǐng)域紛紛布局。理解γδ T細(xì)胞對(duì)腫瘤及病原體的識(shí)別機(jī)制將有助于發(fā)展更好的細(xì)胞治療方案。此外，該領(lǐng)域長(zhǎng)期缺乏高質(zhì)量的小分子幫助γδ T細(xì)胞的有效擴(kuò)增，以及對(duì)腫瘤細(xì)胞的高效識(shí)別。張永輝研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于BTN3A1蛋白的深入研究，為發(fā)展基于γδ T細(xì)胞治療的小分子藥物提供了非常有效的靶點(diǎn)。
清華大學(xué)藥學(xué)院張永輝研究員是本文的核心通訊作者。此外，湖北大學(xué)生科院、省部共建生物催化與酶工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的郭瑞庭教授參與了研究討論、晶體數(shù)據(jù)的分析；美國伊利諾伊大學(xué)Eric Oldfield教授參與了研究的討論及論文撰寫，為文章的共同通訊作者。張永輝課題組博士生楊云云、李麗平、袁琳潔及周曉英為論文的共同第一作者。清華大學(xué)免疫研究所石彥、劉萬里小組也參與了部分研究。該研究得到了自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華大學(xué)蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心、清華大學(xué)藥學(xué)技術(shù)中心的支持和幫助。
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