《Cell Research》TCR 捕捉键非线性调控 CD8 协同作用塑造 T 细胞特异性：解开免疫识别的关键密码

浙江大学医学院研究人员为探究 T 细胞受体（TCR）特异性机制，开展相关研究，发现自然 TCR 形成最佳捕捉键增强特异性，为工程化 TCR 提供依据。

　　

在免疫系统这个神奇的 “战场” 上，T 细胞就像训练有素的 “特种兵”，精准识别并消灭入侵的病原体和肿瘤细胞。T 细胞发挥作用的关键在于其表面的 T 细胞受体（TCR），它能够识别主要组织相容性复合体（MHC）呈递的抗原肽（pMHC），这一识别过程必须高度精准，否则就可能引发 “友军误伤”，导致自身免疫疾病。然而，目前的研究却遇到了难题。传统观念认为，TCR 的特异性和功能取决于其与 pMHC 的三维（3D）结合亲和力，通过表面等离子共振（SPR）等方法测量。但实际情况是，高亲和力的 TCR 并不一定能带来更好的特异性和功能。例如，高亲和力突变的 2C-TCR（m33-TCR）在延缓小鼠肿瘤生长方面，表现反而不如其亲本 TCR。同时，为了对抗病原体和肿瘤细胞通过抗原突变逃避免疫监视的情况，人们开发了增强 TCR 结合亲和力的策略，可这又带来了新问题 —— 工程化的高亲和力 TCR 常常与自身抗原发生脱靶相互作用，限制了基于 TCR 的 T 细胞疗法的效果。

在这样的背景下，浙江大学医学院的研究人员勇挑重担，开展了一系列深入研究。他们致力于揭示自然进化的 TCR 特异性的分子机制，探索 CD8 在工程化高亲和力 TCR 脱靶交叉反应中的作用，以及阐明 TCR-pMHC 相互作用的机械化学基础，为提高基于 TCR 的免疫疗法的安全性和有效性提供理论支持。该研究成果发表于《Cell Research》。

为了深入探究这些问题，研究人员运用了多种先进的技术方法。在细胞模型构建方面，合成并克隆相关基因，将其导入特定细胞系，通过荧光激活细胞分选（FACS）筛选出阳性细胞。在分子检测上，采用表面等离子共振（SPR）实验测量 TCR 与 pMHC 的结合动力学；通过检测小鼠白细胞介素 - 2（IL-2）释放和 NFAT-GFP 群体评估 T 细胞功能。利用单分子超稳定生物膜力探针（U-BFP）测定力依赖的键寿命，结合分子动力学（MD）模拟和恒速拉伸分子动力学（cv-SMD）模拟，从分子层面解析相互作用机制。还构建数学模型预测 TCR 识别信号。

研究人员首先对 2C-TCR 进行研究，通过突变其 CDR3α 区域构建 m33-TCR 和 m67-TCR，将这些 TCR 在表达或不表达 CD8 的 58α-β- 杂交瘤 T 细胞中表达。研究发现，在没有 CD8 时，增强 TCR-pMHC 的 3D 结合亲和力能提高 TCR 的敏感性和特异性；但当 CD8 存在时，情况则相反，更强的 3D 结合亲和力会降低 TCR 对同源抗原（如 R4-MHC）的敏感性和特异性，却增加对非刺激抗原（如 L4-MHC）的敏感性。这表明 CD8 与 TCR-pMHC 结合在调节 TCR 特异性上存在复杂的协同效应。

考虑到 TCR 与 pMHC 在二维（2D）质膜上结合的物理限制，研究人员利用单细胞黏附频率测定法表征了三种 TCR 与 R4 - 或 L4-MHC 的 2D 有效结合亲和力。结果显示，2D 有效结合亲和力与 TCR 特异性的相关性较弱，仅依靠 2D 结合亲和力不足以预测 TCR 特异性。

TCR-pMHC 捕捉键对 T 细胞激活至关重要。研究人员通过 MD 模拟发现，机械力能增强 m33 - 和 m67-TCR 与 R4-MHC 的相互作用，形成额外氢键。利用 U-BFP 测定力依赖的键寿命发现，在没有 CD8 时，不同 TCR 与 R4-、L4-MHC 相互作用的键寿命变化与 TCR 特异性相关性不佳。但当 CD8 存在时，中等力（9 - 12pN）下 TCR 与 R4-、L4-MHC 的键寿命比值与 TCR 特异性呈现强正相关。这表明在 CD8 存在的情况下，中等力下的键寿命比值是预测 TCR 特异性的关键指标。

为了解释 TCR 如何利用 CD8 和机械力实现高特异性，研究人员构建了四种 TCR-pMHC-CD8 三分子复合物结构模型，并进行 cv-SMD 模拟。结果发现，机械力可诱导复合物发生构象变化，从初始状态依次转变为两个中间状态，最终解离。对于 2C-TCR-R4-MHC-CD8 复合物，适度的捕捉键行为使力增强 TCR 与 pMHC 的接触，促进 CD8 与 MHC 的结合，增强 TCR 特异性；而 m33-TCR 和 m67-TCR 与 R4-MHC 形成的过强结合界面，阻碍了力诱导的构象变化，削弱了 CD8 的增强作用，导致特异性降低。

研究人员还通过突变 CD8β-Ile2 为丙氨酸，验证了破坏力诱导的 CD8-MHC 接触会损害 TCR 特异性这一假设。在人类 TCR 研究中，以 MAG-IC3-TCR 为例，发现高亲和力工程化的 TCR 存在脱靶风险，其与自身抗原肽的结合在 CD8 作用下增强，而与肿瘤相关抗原肽的结合中 CD8 增强作用不明显。

基于上述研究，研究人员构建了综合 TCR-pMHC 动力学 - 功能图，整合 2D 有效结合亲和力、力依赖的键寿命和 CD8 增强作用等参数。通过构建双分子和三分子动力学校对（KPR）模型进行模拟，结果显示预测信号与实验观察结果高度相关，该图能够区分功能性和非功能性 TCR-pMHC 对，识别有毒的、交叉反应性的 TCR。

在讨论部分，研究人员指出，TCR 的最佳特异性源于 TCR-pMHC 键寿命、共受体 CD8 和机械力之间的动态相互作用。他们开发的动力学 - 功能图为评估 TCR 特异性和设计治疗性 TCR 提供了有价值的框架。同时，研究还发现了 CD8 在机械力作用下的三种协同模式，不同模式对 TCR 特异性的调节作用各异。然而，该研究也存在一定局限性，如分析的 TCR 种类有限，未考虑 TCR 跨膜结构域及其他 CD3 链的影响等。

总的来说，这项研究成果意义重大。它揭示了自然 TCR 特异性的机械化学基础，强调了 CD8 在识别同源抗原中的关键作用，为工程化设计具有更高特异性和效力的 TCR 提供了理论依据，有望推动癌症免疫治疗和传染病治疗领域的发展，让基于 TCR 的免疫疗法更加安全有效，为攻克重大疾病带来新的希望。