自T細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)以來，其識別機制一直是免疫學(xué)研究的核心問題。

T細(xì)胞如何探知癌細(xì)胞的“內(nèi)心”變化？9月6日，《自然》雜志在線發(fā)表了清華大學(xué)教授張永輝團隊和湖北大學(xué)生命科學(xué)院教授郭瑞庭團隊完成的免疫學(xué)重要突破。他們揭示了γδT細(xì)胞的免疫識別機制，為免疫治療和疫苗研發(fā)等帶來了新的前景。

另一類T細(xì)胞的“神秘”識別機制

“20年前我就開始關(guān)注這個問題了。”深夜11點，張永輝還沒有離開清華大學(xué)藥學(xué)院的辦公室。這是他的工作常態(tài)。

2003年，張永輝在美國就開始研究與γδT細(xì)胞相關(guān)的代謝通路。他介紹，免疫系統(tǒng)是人體抵御外界細(xì)菌、病毒，保護機體正常運轉(zhuǎn)的重要機制。其中，T細(xì)胞是免疫系統(tǒng)中最重要的成分之一，擔(dān)負(fù)著識別“異我”，發(fā)出警示信號，啟動免疫機制的重要作用。αβT細(xì)胞和γδT細(xì)胞是T細(xì)胞的兩種類型。

膦抗原交聯(lián)BTN3A1和BTN2A1胞內(nèi)域后，誘導(dǎo)胞外域的表位暴露，從而有效地與TCR結(jié)合。受訪者供圖

其中，αβT細(xì)胞的識別機制研究分別在1980年和1996年兩次獲得諾貝爾獎。然而，另外一類T細(xì)胞——γδT細(xì)胞的免疫識別機制一直沒有得到全面解析。

張永輝告訴《中國科學(xué)報》，αβT細(xì)胞的免疫識別機制已經(jīng)成為一套經(jīng)典理論。αβT細(xì)胞對“異我”的識別依賴于目標(biāo)細(xì)胞——病原體或腫瘤細(xì)胞表面的相容性復(fù)合體蛋白（MHC）。多肽抗原能夠錨定在MHC的胞外段，從而與αβT細(xì)胞受體發(fā)生相互作用，啟動αβT細(xì)胞的活化。

“對αβT細(xì)胞識別機制的認(rèn)知，奠定了眾多醫(yī)療技術(shù)的理論基礎(chǔ)，包括疫苗接種、自身免疫疾病治療及腫瘤細(xì)胞治療等?！睆堄垒x說，然而，γδT細(xì)胞的識別機制非常獨特，它對“異我”的識別既不通過MHC，也不依賴于多肽抗原?！吧钊肓私猞忙腡細(xì)胞的生物學(xué)機制將有望拓展醫(yī)學(xué)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，擺脫αβT細(xì)胞的傳統(tǒng)框架?！?/p>

“科學(xué)的認(rèn)知需要積累，不是一蹴而就的?！睆堄垒x說，γδT細(xì)胞識別機制的研究經(jīng)歷了很長的時間。

直到上世紀(jì)90年代，科學(xué)家才慢慢發(fā)現(xiàn)，γδT細(xì)胞之所以能對腫瘤或病原體發(fā)生反應(yīng)，是因為這些“異我”細(xì)胞內(nèi)部能產(chǎn)生磷抗原。而磷抗原能夠激活人體外周血中最大類的γδT細(xì)胞。

然而，處于靶細(xì)胞外部的T細(xì)胞如何感知隱藏在其內(nèi)部的磷抗原，也就是靶細(xì)胞“內(nèi)心”的變化，終究很難于理解。

直到2010年前后，科學(xué)界開始將注意力集中在一種跨膜蛋白BTN3A1的重要作用。

這個時候，張永輝回到清華大學(xué)開始建立自己的課題組，探索代謝對免疫的調(diào)控，并提出“類異戊二烯”這類自然界最保守、最廣泛的代謝通路對免疫的影響是深刻且久遠(yuǎn)的。

“磷抗原實際上是類異戊二烯這種脂質(zhì)產(chǎn)物的起始原料或者中間體?！睆堄垒x說，此后，科學(xué)家們漸漸發(fā)現(xiàn)了磷抗原激起免疫機制的一張張“拼圖”。

曾被經(jīng)典理論“帶偏”的研究

“靶細(xì)胞跨膜蛋白BTN3A1對于γδT細(xì)胞的作用，就像MHC對于αβT細(xì)胞的作用。”張永輝說，然而，“抗原結(jié)合在MHC的胞外段進而活化T細(xì)胞”是免疫學(xué)領(lǐng)域內(nèi)對αβT細(xì)胞識別機制的“經(jīng)典”理解，這也誤導(dǎo)了一些學(xué)者在γδT細(xì)胞識別模式上犯了“形式上”的錯誤。

2013年，一項發(fā)表在《自然—免疫》上的研究指出，磷抗原通過與靶細(xì)胞上跨膜蛋白BTN3A1胞外段的結(jié)合來啟動T細(xì)胞。盡管這一機制類似于傳統(tǒng)的多肽抗原通過與MHC分子的胞外段結(jié)合來激活αβT細(xì)胞的方式，但與磷抗原在靶細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生的情況不相符，引發(fā)了學(xué)界的質(zhì)疑。

2019年，張永輝團隊探索跨膜蛋白BTN3A1的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)時還在張永輝團隊攻讀博士學(xué)位的論文第一作者楊云云通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)實驗證實，BTN3A1的胞內(nèi)段才是磷抗原結(jié)合的位點。這一成果在《免疫學(xué)》雜志上發(fā)表后，解決了長期存在的學(xué)術(shù)爭議。

可這也帶來了理解上的困難——既然結(jié)合位點在靶細(xì)胞內(nèi)部，那么γδT細(xì)胞如何才能識別靶細(xì)胞內(nèi)部的抗原變化呢？

“我原來是學(xué)化學(xué)的，轉(zhuǎn)到免疫學(xué)研究上來?！彼裕瑥堄垒x對分子之間的相互作用很敏感。這幫助他產(chǎn)生了一個重要的設(shè)想。

“因為γδT細(xì)胞受體對腫瘤及病原體的感知異常靈敏，而磷抗原與BTN3A1的結(jié)合強度遠(yuǎn)不足于高效激活γδT 細(xì)胞?！睆堄垒x團隊因此推測，在這個過程中存在著BTN3A1的“免疫伙伴”——或許是一個尚未被發(fā)現(xiàn)的蛋白。

跨膜蛋白千千萬，篩選起來談何易。

楊云云進入到郭瑞庭團隊繼續(xù)相關(guān)研究，而正在攻讀博士學(xué)位的袁琳潔接過了棒。面對困難，咬著牙也要上，那就是一個一個蛋白地篩選。

經(jīng)過了漫長的篩選研究，袁琳潔終于找到了那個神秘的“免疫伙伴”，那就是BTN2A1，它和BTN3A1“長得”非常相似，簡直就像一對“雙胞胎”。

這時候，他們信心倍增，準(zhǔn)備再接再厲，搞清楚整個識別機制后再發(fā)表論文。

然而，意外發(fā)生了。2020年，澳大利亞的科學(xué)家率先在《科學(xué)》雜志上報道了類似的發(fā)現(xiàn)，并且明確了BTN2A1的胞外段直接與γδT細(xì)胞受體結(jié)合。

得知這個消息后，團隊成員是崩潰的。

冷靜之后，張永輝鼓勵大家振作。因為《科學(xué)》的發(fā)現(xiàn)證明他們的假設(shè)和研究思路都是正確的。與此同時，《科學(xué)》雜志報道的內(nèi)容還沒有完全講清楚胞內(nèi)段的結(jié)合是如何發(fā)生，繼而又如何導(dǎo)致胞外段對T細(xì)胞的激活，以及兩個跨膜蛋白究竟如何“團結(jié)協(xié)作”……

這個問題還有未解之謎，還有空間，必須堅持下去。

免疫學(xué)里的“分子膠水”

“胞內(nèi)是磷抗原的起始，跨膜‘雙胞胎’蛋白的作用，必定離不開胞內(nèi)的研究。張永輝說。

9月6日深夜，論文正式在線，張永輝發(fā)了這樣一條朋友圈：這項研究窮盡了實驗室的力量。從CRISP—CAS9篩選開始，從人到羊駝，這篇nature文章涵蓋了6個單細(xì)胞原子力顯微鏡測試，12個晶體結(jié)構(gòu)的獲取，13個磷抗原的化學(xué)合成，39個ITC研究，39個Chimeric engineering，多次MD計算，無數(shù)的免疫實驗及其它生物物理測試。

通過多種技術(shù)，他們詳細(xì)地展示了磷抗原如何像“分子膠水”一樣，促進了BTN3A1與BTN2A1在靶細(xì)胞內(nèi)部的緊密結(jié)合。

“分子膠水”這一自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有30余年歷史。張永輝介紹，顧名思義，膠水的功能是黏附，美國科學(xué)家Stuart L Schreiber在30年前發(fā)現(xiàn)環(huán)孢素能夠?qū)蓚€原來不相干的蛋白拉到一起。這是分子膠水概念的來源。

但此前很少有人在免疫學(xué)里應(yīng)用到“分子膠水”這一概念。這一次，依然是早年學(xué)習(xí)的化學(xué)知識為他們的團隊找到了完美的解釋。

BTN3A1與BTN2A1往往相伴相隨，它們的胞外部位結(jié)合在一起，胞內(nèi)部位互相分離。當(dāng)磷抗原像膠水一樣把二者位于細(xì)胞內(nèi)的部位拉到一起后，原來挨在一起的胞外結(jié)合部分開了。

分開后“自由”的BTN3A1與BTN2A1同時與gdT細(xì)胞結(jié)合?！皞€人的力量是有效的，合作的力量是強大的?！睆堄垒x說，兩個蛋白共同參與了對磷抗原的捕獲和對gdT細(xì)胞的激活，這一發(fā)現(xiàn)完美地解釋了γδT細(xì)胞的“超強”免疫監(jiān)視能力——即在兩個蛋白的協(xié)同作用下，即使存在少量的磷抗原，它也能夠被高效地“鎖定”。

農(nóng)歷大年三十，張永輝把論文投給了《自然》雜志。大年初一的鞭炮聲把他吵醒，打開電腦，他收到了論文已經(jīng)送審的郵件。

一個月后，評審意見返回，其中兩名評審人給出了高度的評價，另一名評審人則提出了許多修改要求。3個月后修改稿發(fā)回，他們陷入了漫長的等待中。

論文尚未確定能否發(fā)表，但張永輝還是在6月里斯本舉行的γδT細(xì)胞國際會議上報告了他們的工作。詳實而精彩的演講得到了免疫學(xué)同行的認(rèn)可。

“或許是那次報告讓同行們了解了我是如何從化學(xué)的角度看待免疫識別。”張永輝說，很快論文被接受了。

“T細(xì)胞對磷抗原的識別為疫苗接種和自身免疫性疾病的治療帶來了新思路?！睆堄垒x說，一種癌細(xì)胞幾乎就對應(yīng)一種多肽抗原。在癌癥治療和疫苗研制過程中，傳統(tǒng)的利用αβT細(xì)胞的療法需要針對多樣化的多肽抗原“定制”方案。而胞內(nèi)產(chǎn)生的磷抗原卻只有一種，因而更易于識別。

不過，他強調(diào)，由于磷抗原不穩(wěn)定，容易水解，“成藥性差”，可以考慮通過一種藥物分子替代磷抗原，實現(xiàn)分子膠水的功能，使得γδT細(xì)胞能夠高效地識別和攻擊腫瘤細(xì)胞和感染細(xì)胞。

“希望我們的工作能打開認(rèn)知塵封的大門，引來免疫治療新的曙光?！睆堄垒x說。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06525-3

來源：中國科學(xué)報