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（T-cell Receptor, 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隊在國際知名期刊《分子細(xì)胞》（Molecular Cell）上發(fā)表了最新研究成果“Mechano-regulation of peptide-MHC class I conformations determines TCR antigen recognition”，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。

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系博士研究生武鵬、張同同和機械工程學(xué)院博士研究生費攀宇（醫(yī)工交叉培養(yǎng)），美國猶他大學(xué)劉寶玉博士以及中科院生物物理所研究助理崔蕾為該論文的共同第一作者，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系陳偉教授和中科院生物物理所婁繼忠研究員為該論文的共同通訊作者。

識別“自我”與“非我”

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?。ㄍ鶅H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。

T細(xì)胞用生物力“釣”出腫瘤細(xì)胞

T細(xì)胞沒有眼睛，那么它是如何識別“自我”與“非我”細(xì)胞的呢？陳偉教授曾于2014年在《細(xì)胞》（Cell）雜志上發(fā)表文章指出：TCR與激動型的抗原分子之間會產(chǎn)生特異性相互作用，且生物力可以增強其相互作用，從而放大“自我”與“非我”抗原之間的差別。

在本研究中，陳偉課題組進一步深入挖掘出了這個過程中的分子機制。他們發(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；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（圖1）。

圖1.（A）CD8⁺T 細(xì)胞識別腫瘤表面的“非我”抗原。（B）TCR識別抗原的力學(xué)/化學(xué)耦聯(lián)調(diào)控的分子機制?！胺俏摇笨乖有停┠軌蛟谏锪Φ恼T導(dǎo)下， 發(fā)生構(gòu)象變化，產(chǎn)生“逆鎖鍵”（Catch bond）， 增強其與TCR的結(jié)合時間；而“自我”抗原，生物力無法產(chǎn)生其構(gòu)象變化， 只能產(chǎn)生“滑移鍵”（slip bond）。

這個生物力，就好像釣魚時給魚竿的一個拉力——一拉魚竿，魚與魚鉤更加吃緊（圖2）。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。

圖2.“漁翁釣魚”來比擬TCR利用生物力與“非我”抗原產(chǎn)生逆鎖鍵，從而成功識別“非我”抗原。

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。

“這也是本項研究的精彩之處，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?！标悅フf，“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?！?/p>

“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?！被谶@個新機制，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。

醫(yī)工信交叉中不可小視的生物力

確實，在傳統(tǒng)生物學(xué)研究中，生物力常常被忽視?！暗?，細(xì)胞在生命活動中會將生物力施加到蛋白分子上，這時參與到細(xì)胞相互作用及信號傳導(dǎo)中的力卻不能簡單忽略。”陳偉說。這也可以回答傳統(tǒng)蛋白結(jié)構(gòu)研究中，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。

細(xì)胞內(nèi)生物力是否真實存在呢？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，就像我們身處重力環(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。”陳偉介紹說。

“學(xué)科交叉研究其實很不容易?！标悅?014年回國就開始了這項研究，結(jié)合生物、物理、化學(xué)、工程、計算機等領(lǐng)域團隊，展開醫(yī)工信交叉的研究?！拔译m然在醫(yī)學(xué)院工作，但本碩都是電氣工程學(xué)院畢業(yè)，希望未來能夠有更多的老師和同學(xué)進入到交叉合作的研究中?！标悅バχf，同時他對學(xué)校大力推進醫(yī)工信交叉研究特別支持。

這項研究受到國家科技部蛋白質(zhì)重大研究計劃項目、國家自然科學(xué)基金委、浙江大學(xué)等項目經(jīng)費的大力支持，特別感謝基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院、機械工程學(xué)院的大力支持；同時該研究也受到了感染性疾病協(xié)同診治創(chuàng)新中心、生物醫(yī)學(xué)工程與儀器學(xué)院、現(xiàn)代光學(xué)國家重點實驗室等支持。

（文 柯溢能/攝影 盧紹慶） 

論文鏈接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(18)31072-4

陳偉教授個人主頁：https://person.zju.edu.cn/jackweichen