西湖大學團隊首次揭示T細胞“特種兵”真相

在古希臘神話中，有一位名叫阿斯克勒庇俄斯的醫神，手持蛇杖，擁有治愈疾病和傷痛的神力，而在人體內，也有這樣的“蛇杖”——T細胞。

T細胞，也被稱為T淋巴細胞，是人體免疫系統中的主要細胞之一，在人體中，根據表達的T細胞受體（TCR），T細胞可以分為兩類——αβ T細胞和γδ T細胞，分別表達受體αβ TCR 和γδ TCR。

盡管γδ T細胞被發現了很多年，然而，其受體組裝模式以及識別抗原的模式至今仍未被充分理解，極大地阻礙了γδ T細胞在腫瘤免疫治療中的開發和應用。

2024年4月24日，西湖大學生命科學學院周強課題組、施一公課題組助理研究員宿強，在Nature上合作發表題為“Structures of human γδ T cell receptor–CD3 complex”的文章。該研究首次報道了兩種經典的γδ TCR–CD3復合物的全長冷凍電鏡結構，首次揭示了Vγ依賴的組裝模式，為γδ TCR在配體識別和T細胞激活的獨特性提供了重要見解。

論文截圖

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07439-4

非典型T細胞：γδ T細胞

人體很多疾病，都源于免疫系統打了敗仗或者出了故障。

人體的免疫系統就像是一個強健且機警的戰士，它能根據疾病隨機應變。T細胞介導的細胞免疫是這個戰士鋒利的武器，它可抵御入侵的病原體，直接殺死被感染的細胞，激活其他免疫細胞，調控免疫反應，而T細胞受體（TCR）就是幫助戰士準確識別外敵的雷達。

在T細胞這個大家族中，也有很多角色，它們在人體免疫系統中各有分工。

其中，αβ T細胞是T細胞的主要組成部分，占T細胞總數的95%以上。如果把αβ T細胞比作T細胞部隊里的“主力軍”，那么γδ T細胞則是“特種兵”——含量少（在人外周血淋巴細胞中占1%-5%左右）、反應速度快（γδ T細胞作為免疫系統第一道防線，可以快速啟動先天性免疫反應）。

1980年代中期，γδ T細胞被發現，與αβ T細胞不同，其受體由TCRγ和TCRδ兩條鏈組成。γδ T細胞被發現已有數十年，盡管含量少，但在細胞免疫中發揮著關鍵作用，于是，科學家們不斷嘗試，想要看清這個非典型T細胞的受體究竟長什么樣。

γδ T細胞與腫瘤細胞相互作用方式

（Liu, Y., & Zhang, C. Cells, 9(5), 1206. 2020）

驚喜的發現：γδ TCR–CD3復合物高分辨率結構

CD3是一種重要的白細胞分化抗原，幾乎存在于所有的T細胞表面。兩類T細胞受體αβ TCR 和γδ TCR都可以和CD3分子形成TCR–CD3復合物。TCR–CD3復合物的信號機制和受體識別一直是領域內的關鍵問題。

通過重組表達γδ TCR–CD3的6個組分，研究團隊首次拿到了全長的γδ TCR–CD3復合物。看到在分子篩上均一且性質良好的蛋白樣品，研究團隊意識到，他們正在敲開γδ TCR結構生物學的大門！

經過多次實驗，在獲得γδ TCR–CD3復合物的高分辨率結構后，研究團隊發現了γδ TCR與αβ TCR的顯著不同——Vγ5Vδ1 TCR呈現了前所未有的二聚體狀態，而Vγ9Vδ2 TCR以單體的狀態存在，其胞外域更靈活。

人Vγ9Vδ2 和 Vγ5Vδ1 TCR–CD3復合物的冷凍電鏡結構

這一驚喜發現，隨后引發了研究團隊更多的思考：

Vγ5Vδ1 TCR的二聚體狀態是否是體外過表達帶來的假象?

生理條件下，若也作為二聚體狀態存在，那二聚體狀態的意義是什么？

為什么不同V區序列的γδ TCR–CD3復合物以不同的寡聚化狀態存在？

Vγ9Vδ2 TCR的胞外區要比αβ TCR更靈活，這對γδ T細胞的激活會有什么影響？

在兩種經典的γδ TCR–CD3復合物結構中，發現了一團多余的密度，類似于膽固醇分子，這與αβ TCR–CD3相同，其在γδ T細胞的激活中起什么作用？

帶著這些思考，研究團隊繼續邁進。團隊成員全部是結構生物學背景，但為了解答這些重要的科學問題，他們選擇了一條充滿挑戰的道路——自學免疫學實驗技術。

從第一批慢病毒轉染體系的摸索、第一次陽性細胞的篩選，到第一次流式數據的分析、第一次熒光壽命成像顯微鏡的使用……他們不斷嘗試，不斷刷新、完善研究成果。

然而，當文章投出后，卻在第一輪同行評議時受到了許多質疑：分辨率不夠，對照組不夠，為領域內帶來的生物學見解不夠……

怎么辦？面對質疑聲，研究團隊只有一個選擇：直面問題，解決問題！

歷時3個月，經過無數次的克隆構建、蛋白純化、數據收集處理、穩轉細胞系的構建、T細胞激活實驗、流式染色分析、FLIM-FRET實驗……最終他們獲得了6個高分辨率結構，補齊了這項研究的最后一步。

全新的起點：打開γδ T細胞結構免疫學大門

知其然，知其所以然。研究團隊用強有力的證據，回答了最初自己提出的疑問——

Vγ5Vδ1 TCR的二聚體狀態是生理條件下存在的。研究團隊利用熒光壽命成像顯微鏡-熒光共振能量轉移（FLIM-FRET）證實了細胞膜上Vγ5Vδ1 TCR復合物呈現寡聚狀態。

Vγ5Vδ1 TCR的二聚體狀態對于其識別配體是必須的。研究團隊構建了穩定表達野生型Vγ5Vδ1 TCR（二聚體狀態）或者突變體Vγ5Vδ1 TCR（單體狀態）的Jurkat細胞系，通過抗原呈提細胞以及抗CD3抗體/抗CD28抗體進行了T細胞激活實驗，證明了二聚型的野生型Vγ5Vδ1 TCR對于T細胞激活是必需的。

為什么單體形式的Vγ5Vδ1 TCR無法啟動T細胞激活？他們構建了CD1d-α-GalCer四聚體，運用流式細胞術測定了野生型Vγ5Vδ1 TCR（二聚體狀態）和突變體Vγ5Vδ1 TCR（單體狀態）結合配體能力的異同，推測由于二價和單價結合模式的區別，導致突變體Vγ5Vδ1 TCR不能結合CD1d-α-GalCer四聚體，從而不能介導T細胞激活。

野生型和突變體Vγ5Vδ1 TCR對配體的二價和單價結合模式

來自免疫學領域的審稿人對這項研究工作給予了高度評價。研究團隊從結構出發，聯用生物化學、免疫學、細胞生物學等多種技術，系統地解析了γδ TCR–CD3復合物的高分辨率結構，揭開了γδ TCR獨特性質的面紗。同時，基于結構為免疫學家提供了見解，為γδ TCR更好地應用于細胞免疫治療添磚加瓦。

圖片γδTCR–CD3復合物可以識別在大小和結構上不同的配體。

這也是研究團隊打開γδ T細胞結構免疫學大門的新起點。未來，他們將繼續行走在探索γδ T細胞的道路上，一起期待發現更美好的風景！