APMAT技术揭示CD8 T细胞受体-抗原配对与细胞表型及持久性的物理化学关联机制

本研究针对CD8 T细胞受体(TCR)与抗原肽-MHC复合物(pMHC)互作决定细胞表型的机制难题，开发了高通量抗原-TCR配对及多组学分析技术APMAT。通过对62例HLA-A*02:01新冠患者951个SARS-CoV-2潜在抗原的系统筛查，首次发现TCR-pMHC界面的疏水性/极性等物理化学特征可预测T细胞效应表型分化轨迹与持久性，为疫苗设计和T细胞治疗提供了分子设计新范式。

　　

在免疫系统的精密防御网络中，CD8 T细胞如同特种部队，通过其表面受体(TCR)识别病毒抗原片段。然而长久以来，科学家们面临一个核心谜题：为何相同抗原刺激下，不同T细胞会分化为杀伤性效应细胞或长效记忆细胞？这种命运抉择是否隐藏于TCR与抗原的分子"握手"密码中？

传统研究受限于技术瓶颈，难以同时获取大量配对抗原-TCR数据与单细胞表型信息。美国系统生物学研究所Jingyi Xie、James R. Heath团队在《Nature Communications》发表突破性研究，开发出APMAT（抗原-TCR配对及多组学分析）技术框架，首次系统解析了TCR-pMHC界面物理化学特征与T细胞命运决定的定量关系。

研究团队首先构建了覆盖SARS-CoV-2全基因组的951个HLA-A*02:01限制性抗原库，成功表达558种单链三聚体(SCT)用于T细胞捕获。通过整合62例新冠患者急性期样本的单细胞转录组、TCR测序和抗原特异性数据，结合NetMHCpan预测算法，建立了包含物理化学参数的多维分析模型。

APMAT实现抗原特异性CD8 T细胞的多模态整合分析
技术突破在于将SCT标记的抗原特异性分选、单细胞多组学测序与计算生物学相结合。患者来源的PBMCs经SCT-葡聚糖多聚体标记后，通过单细胞RNA测序同时获取转录组、TCR序列和抗原特异性信息，再通过SNP匹配追溯细胞供体。

全基因组覆盖揭示抗原表达规律
在成功表达的558个抗原中，18.3%能捕获T细胞。刺突蛋白(S)抗原捕获率最高达26.6%，验证了已知免疫优势表位如S₂₆₉-YLQPRTFLL。物理化学分析显示，可表达抗原的暴露区富含极性氨基酸（如苏氨酸T），而疏水性抗原更难表达但捕获效率更高。

三组抗原的物理化学特征分化
通过UMAP降维将抗原分为三组(Pep-Group)：PG1（高疏水性锚定残基）、PG2（高极性）和PG3（带电暴露残基）。值得注意的是，虽然PG1抗原仅占28.3%，却贡献了42.1%的捕获细胞，提示疏水性相互作用在抗原识别中的关键作用。

抗原特征关联T细胞表型
单细胞表型分析发现，PG3特异性T细胞显著富集于细胞毒性表型（高表达GZMB、PRF1），而PG1细胞多为初始表型（CCR7⁺）。差异基因分析显示PG3细胞激活了免疫突触形成和PD-1信号通路，这与效应功能高度一致。

TCR疏水性决定效应功能
将TCR-CDR3β分为V/J区和中央接触区(CDR3βmer)分析发现，效应T细胞的CDR3βmer具有更高疏水性（25%阈值）和更短长度。表达疏水性TCR(HPhobic-High)的克隆显著扩增，并富集于细胞毒性群体，其转录组显示更强的TCR激活信号和凋亡通路。

抗原-TCR协同调控细胞命运
将抗原分组与TCR分组交叉分析，发现PG3-High组合（带电抗原+疏水TCR）产生最强细胞毒性，而PG1-Low组合呈现初始表型。纵向追踪显示，PG3-High细胞在康复期大幅收缩，而PG1细胞持续存在并呈现记忆特征，证实物理化学特征可预测T细胞持久性。

这项研究建立了抗原-TCR-表型的定量关联框架，揭示T细胞分化并非完全随机，而是受TCR-pMHC界面分子特征的调控。不仅为疫苗靶点选择提供了新标准（如优选带电暴露残基抗原），更为TCR工程化治疗设计了分子蓝图——通过理性调控TCR疏水性可定向获得效应型或记忆型细胞。该技术框架可扩展至肿瘤新抗原筛选和自身免疫病研究，为精准免疫干预开辟了新路径。