Cell：pMHCTCR複合物的結構揭示TCR識別抗原與啟用的機制

為了對抗各種外來病原體的侵染，機體進化出了很多適應性的免疫反應，比如T細胞可以透過其表面的T細胞受體（TCR）來識別抗原呈遞細胞所呈遞的肽段結合的主要組織相容性複合物（peptide-loaded major histocompatibility complex， pMHC），從而啟用T細胞引發後續的免疫反應【1】。雖然有著數年的研究，但是T細胞如何結合pMHC及如何啟用下游訊號反應仍待研究解決。因此可以透過結構生物學的手段，來分析TCR在完全組裝狀態下結合pMHC前後的相似與不同，從而得出TCR識別與啟用的機制。

2022年8月18日，來自來自德國法蘭克福大學的

Robert Tampé

課題組和英國牛津大學的

Simon J. Davis

課題組在

Cell

上發表了題為

Structure of a fully assembled tumor-specic T cell receptor ligated by pMHC

，

透過使用冷凍電鏡技術解析了黑色素瘤特異性的pMHC與TCRαβ/CD3δγε

2

ζ

2

複合物結合的結構，確定了TCR結合pMHC的表位，並發現了pMHC的有效TCR識別依賴於T細胞和抗原呈遞細胞膜的準確預定位。透過比較結合pMHC前後的變化以及分子動力學模擬，發現TCR可以在沒有自發結構重排的情況下被啟用。同期，也有一篇類似的pMHC/TCR複合物結構文章在biorxiv上預發表。

首先，作者在體外表達了完全組裝的TCR複合物，並與載有黑色素瘤相關的gp100肽段（YLEPGPVTV）的人類白細胞抗原HLA-A2結合從而製備冷凍電鏡樣品，最終解析的解析度為3。08埃（圖1A）。透過電鏡密度可以發現其包含11個單獨的蛋白質或者肽段組分，其中TCR-αβ異源二聚體與三聚體的pMHC結合，結合後呈現與細胞膜約60度的傾角（圖1B）。

圖1 pMHC/TCR複合物的結構

透過解析pMHC/TCR複合物的結構，可以分析gp100肽段被包埋在MHC重鏈中（圖2A），而MHC重鏈被TCR-αβ的CDR區域（complementarity determining regions）所識別，同時與TCR-α亞基（圖2B）和β亞基（圖2C）存在著許多氨基酸的相互作用。

圖2 TCR識別腫瘤相關的gp100/HLA-A2的分子機制

除了分析TCR與pMHC的相互作用，作者還額外分析了二聚體化的TCR-αβ、CD3-εδ、-εγ、-ζζ之間的相互作用，將其分為了三層（圖3A）。在第一層中，則為TCR-α、TCR-β、CD3-ε、CD3-ε’、CD3-δ的IgSF結構域間的相互作用，使得CD3-εγ靠近TCR-β（圖3C）、CD3-εδ靠近TCR-α（圖3D），從而穩定TCR-αβ靠近細胞膜側的傾斜重排；在第二層中，則主要為TCR-α與CD3-ζζ間的相互作用（圖3E）；在第三層中，則為TCR-αβ、CD3-εδ、-εγ、-ζζ八根螺旋間的相互作用（圖3F），還額外在CD3-ζ與CD3-γ間發現了膽固醇的密度（圖3G），推測可能其對於CD3-ζζ同源二聚體與其他組分的結合起到了關鍵的作用。

圖3 TCR各組分相互作用的關係網路

透過比較未結合pMHC的TCR結構【2】，作者發現TCR在結合pMHC前後沒有發生顯著的配體介導的結構重排，兩個結構間的RMSD為1。2 （圖4A）。僅僅非常細小的差別發生在一些loop和螺旋處（圖4B、C、D、E）。而分子動力學模擬也同樣沒有非常大的構象差異。因此作者推測TCR在結合配體前後沒有明顯的構象變化，是一種剛體化的受體。

圖4 TCR結合pMHC前後的結構比較

最後，作者推測TCR在結合pMHC前後可能發生的反應，在TCR結合pMHC後，作為輔助受體的CD8會結合到pMHC的另一側，從而介導後續的反應（圖5A）；而在結合pMHC前，抗原呈遞細胞會伸出長長的CD58結合T細胞上的CD2從而拉近細胞間的距離，方便TCR對pMHC的識別與結合（圖5B）。但是作者也指出本文的研究中存在著不足之處，比如TCR胞內側的部分沒有解析出來，那裡是否會在結合配體後發生構象變化仍然需要後續的其他研究來解釋清楚。

圖5 TCR結合pMHC前後T細胞膜上可能出現的反應

供稿 | 朱盎岐

審稿 | 李浩田