中国细胞生物学学报 Chinese Journal of Cell biology2011,39):955-963 itp://www.cjcb.org 特约综述 人体免疫系统的功能主要是识别“非自体物质”(外来的病原体以及肿瘤细胞)并将 之清除以保护杋体的健康。整个免疫功能的发挥在很大程度上依赖于免疫受体来感 受环境的变化从而让免疫细胞做出正确的反应。本课题组利用生物化学、免疫学、 结构生物学以及显微成像技术研究各类关键免疫受体(如TCR、CD28等)的活化机制 以及它们在各种生理病理情况下的功能 http://www.sibcb.ac.cn/pl.asp?id=128 T细胞抗原受体的结构与功能研究进展 施小山李伦乙郭兴东许琛琦* (分子生物学国家重点实验室,中国科学院上海生命科学研究院上海生物化学与细胞生物学研究所,上海20001 摘要T细胞抗原受体( T cell receptor,TCR)是T细胞表面关键的受体分子。TCR特异性地识 别各种多肽抗原并通过胞内区I^AM磷酸化传递抗原刺激信号,进而引发T细胞的免疫效应·TCR 的活性异常将会导致自身免疫病和免疫缺陷病的发生。对于TCR结构和功能的深入研究有助于我 们更好地理解免疫反应的分子机理,从而为相关免疫疾病的预防和治疗提供重要的理论依据。该 文对TCR的分类、基因重排机制、受体组装方式及其结构基础、TCR对抗原的识别以及活化机制 等方面的研究成果进行了总结,综述了近几年来的最新研究进展 关键词T细胞抗原受体,结构;基因重排;抗原识别;受体磷酸化 1简介 多肽抗原;NKT细胞表面的 aFTER识别CDl递呈的 细胞是获得性免疫系统中主要的功能细胞,脂质抗原;γ6TCR的配体目前仍然不是非常清楚,它 负责识别抗原,并指挥其他免疫细胞进行免疫应答。可以识别MHC或MHC类似分子(如小鼠的122、T10 在抗原识别中起关键作用的是T细胞表面的T细胞人的CDlc),也可以识别非MHC分子(如病毒糖蛋白 抗原受体(TCR)。根据其表达的TCR的不同,T细胞 ATPase复合物)。 aptER与6TCR在识别配体后会 可分为两大类:T细胞以及y6细胞。aBT细胞在传递活化信号,刺激T细胞增殖并分泌相应的细胞因 外周淋巴组织以及外周血中占T细胞总数中的绝大子,而pre-TCR的信号传递则不依赖于配体,它在细 多数,而γ6细胞相对比较少,比较集中地分布于上胞表面自发形成二聚体,由此向细胞传递活化信号 皮组织以及粘膜相关的淋巴组织中。本文将详细调控T细胞在胸腺中的发育过程倒 综述aβTCR的一些最新研究进展。 3T细胞抗原受体的基因重排 2T细胞抗原受体的分类 疫系统的主要功能是识别非自体物质并将 脊椎动物中共有三种不同的T细胞抗原受体:之清除。然而非自体物质成万上亿地存在,这便给 ①BTCR、6TCR以及pre-TCR。其中 pre-TCR只表达 于未成熟的aBT细胞表面,a阝TCR表达于成熟的u阝T 科技部蛋白质重大研究计划No201CB910901)、国家自然科 细胞和NKT细胞表面,而y6TCR则表达于6T细胞的 学基金(No.31070738)、中国科学院百人计划和上海市浦江人才计划 (No.0PJ411500)资助项目 表面。位于T细胞表面的BTCR识别MHCI/递呈的 通讯作者。Tel:021-54921317,Emal: cqu @sibs.accn
中国细胞生物学学报 Chinese Journal of Cell Biology 2011, 33(9): 955–963 http://www.cjcb.org T细胞抗原受体的结构与功能研究进展 施小山 李伦乙 郭兴东 许琛琦* (分子生物学国家重点实验室, 中国科学院上海生命科学研究院上海生物化学与细胞生物学研究所, 上海 200031) 摘要 T细胞抗原受体(T cell receptor, TCR)是T细胞表面关键的受体分子。TCR特异性地识 别各种多肽抗原并通过胞内区ITAM磷酸化传递抗原刺激信号, 进而引发T细胞的免疫效应。TCR 的活性异常将会导致自身免疫病和免疫缺陷病的发生。对于TCR结构和功能的深入研究有助于我 们更好地理解免疫反应的分子机理, 从而为相关免疫疾病的预防和治疗提供重要的理论依据。该 文对TCR的分类、基因重排机制、受体组装方式及其结构基础、TCR对抗原的识别以及活化机制 等方面的研究成果进行了总结, 综述了近几年来的最新研究进展。 关键词 T细胞抗原受体; 结构; 基因重排; 抗原识别; 受体磷酸化 科技部蛋白质重大研究计划(No.2011CB910901)、国家自然科 学基金(No.31070738)、中国科学院百人计划和上海市浦江人才计划 (No.10PJ1411500)资助项目 *通讯作者。Tel: 021-54921317, E-mail: cqxu@sibs.ac.cn 特约综述 人体免疫系统的功能主要是识别“非自体物质”(外来的病原体以及肿瘤细胞)并将 之清除以保护机体的健康。整个免疫功能的发挥在很大程度上依赖于免疫受体来感 受环境的变化从而让免疫细胞做出正确的反应。本课题组利用生物化学、免疫学、 结构生物学以及显微成像技术研究各类关键免疫受体(如TCR、CD28等)的活化机制 以及它们在各种生理病理情况下的功能。 http://www.sibcb.ac.cn/PI.asp?id=128 1 简介 T细胞是获得性免疫系统中主要的功能细胞, 负责识别抗原, 并指挥其他免疫细胞进行免疫应答。 在抗原识别中起关键作用的是T细胞表面的T细胞 抗原受体(TCR)。根据其表达的TCR的不同, T细胞 可分为两大类: αβT细胞以及γδT细胞。αβT细胞在 外周淋巴组织以及外周血中占T细胞总数中的绝大 多数, 而γδT细胞相对比较少, 比较集中地分布于上 皮组织以及粘膜相关的淋巴组织中[1]。本文将详细 综述αβTCR的一些最新研究进展。 2 T细胞抗原受体的分类 脊椎动物中共有三种不同的T细胞抗原受体: αβTCR、γδTCR以及pre-TCR。其中pre-TCR只表达 于未成熟的αβT细胞表面, αβTCR表达于成熟的αβT 细胞和NKT细胞表面, 而γδTCR则表达于γδT细胞的 表面。位于T细胞表面的αβTCR识别MHCI/II递呈的 多肽抗原; NKT细胞表面的αβTCR识别CD1递呈的 脂质抗原; γδTCR的配体目前仍然不是非常清楚, 它 可以识别MHC或MHC类似分子(如小鼠的T22、T10, 人的CD1c), 也可以识别非MHC分子(如病毒糖蛋白、 ATPase复合物) [2]。αβTCR与γδTCR在识别配体后会 传递活化信号, 刺激T细胞增殖并分泌相应的细胞因 子; 而pre-TCR的信号传递则不依赖于配体, 它在细 胞表面自发形成二聚体, 由此向细胞传递活化信号, 调控T细胞在胸腺中的发育过程[3]。 3 T细胞抗原受体的基因重排 免疫系统的主要功能是识别非自体物质并将 之清除。然而非自体物质成万上亿地存在, 这便给
特约综述 了免疫系统一个大难题:如何利用有限的DNA序列些回文末端叫,但是这些粘性末端往往不能相互匹 来产生如此多样的受体,以特异性地应对这些抗原配。因此,体内的DNA修复机制会随机地加入或删 呢?经过亿万年的进化,哺乳动物的适应性免疫系除一些碱基来配对两个粘性末端,这使得Tc基因呈 统获得了基因重排的能力,从而得以解决这个问题。现出更大的多样性。 TCR基因的(D重排主要由淋巴细胞特异的重组 条染色体上 Tcrb的成功重排可以抑制同源 酶RAG(包括RAG1和RAG2)及广泛表达的DNA修染色体上另一个rb的重排,这一现象称为等位排 复蛋白来介导完成,该过程对T淋巴细胞的正常发育 (allelic exclusion)。lerb的等位排斥仅仅针对 成熟起着十分重要的作用。 于V-DJ的重排过程,这可能是由于D片段与片段相 T细胞是由造血干细胞在胸腺中发育成熟的,距较近使得其重排反应发生较快,而V片段同DJ片 成熟后的T细胞表达 aFTER或6TCR。整个发育的段相距十分远,容易调控其重排。至今,等位排斥 过程分为DN期(CD4CD8双阴性)、DP期(CD4CD8的具体调控机制仍研究得不是很清楚,但也取得了 双阳性)以及SP期(CD4CD8单阳性)。其中DN期又 定的成果。在DN期,Trb高频率地同核纤层及异 分为DN1、DN2、DN3以及DN4,代表发育的不同染色质相互作用而抑制重排反应1,这可能使得 阶段。在DN3期,Tera、Trg和Trb便在初始表达的两个erb同时发生重排几乎不可能实现。而当第 重组酶作用下进行重排。T细胞开始分化成或y6个Terb重排完成后,其产生的 pre-TCR信号可以下调 细胞。以下,我们将着重介绍产生aBT细胞的 Tcra RAG的表达并促使细胞进行分化从而进入DP期9。 和Tcrb的v(D)J重排过程。 在DN期,RAG的下调可以阻止第二个Tcb的重排 在DN2期首先进行的是β链的(DJ重排,整个而进入DP期后,细胞必须上调RAG来实现Tera的重 链的重排过程需要增强子E的激活。激活的E可排,这时crb基因两端的分离则可能起着等位排斥 以同D区的启动子PD特异性地相互作用1,该相互的作用。近年来,研究人员还发现一些转录因子 作用可招募SW-SNF染色质重组复合物从而促进重如E2A和Ets-1可以调节Eβ的活性,并可能调节等位 排反应的进行。重排反应的进行可以分成特异性排斥反应P2。需要指出的是,尽管细胞内存在着 断裂和非特异性连接两个步骤40 等位排斥作用,依然有些T细胞可以逃避这一过程, 首先,RAG蛋白将特异性地识别重组信号序列从而产生两种不同的TCR22。 (RSS)并引起DNA双链断裂。这种RSS含有一个7bp 了解了β链的重排反应及其调控,便不难理解α 的回文序列、一个9bp富含A碱基的序列以及中间链的重排过程了。然而由于编码a链和δ链的基因在 非保守的12bp或23bp的间隔序列,而只有带不同长同一个染色体上,并且二者序列部分共用并相互穿 度间隔序列的RSS才能促进重排反应的产生(1223插,因此其调控机制更加复杂,有待更多的研究来解 准则)在这个准则下,β链内可以发生三种重排反应:释。与β链重排一样,α链的重排也需要特定增强子 3DB23RSS和JB12RSS介导的重排反应、V23RSS和E的激活。在DN期主要进行的是E激活所介导的δ 5Dβ12RSS介导的重排反应以及Ⅴβ23RSS和Jβ12-链的重排。而进入DP期后,pre-TCR信号等将促使 RSS介导的重排反应。然而事实上,第三种反应在E激活并促进a链的重排反应时。E的激活可能可 体内是不发生的(B12/23),这是由RSS序列及侧翼以使其特异性同TEA及J049启动子相互作用而激活 序列所决定的。如果用3Dβ23RSS替换Vβ23RSs,这两个启动子。TEA的激活可以使得J区染色质重 或用5Dβ12RSS替换邛β12RSs,V重排将可能直接发构,组蛋白被甲基化,这最终将招募重组酶介导第 生2。此外,AP1等转录因子可以招募RAG蛋白次的v重排P。与β链不同,a链还会进行多次的 至3DB23RSS,这种招募可能促使DJ重排优先发生V重排。TEA及Ja49介导的第一次V重排会使得这 于VD重排1 两个启动子被切除,但同时会把Va启动子引入到J 最后,非同源DNA末端连接蛋白( nonhomolo区的5'端从而介导第二次VJ重排。同样第二次的 gous DNA end- Joining proteins,NHE)可以非特异性重排会引起新的va启动子进入区的5而介导下 连接两个DNA片段来实现DNA最终重排。RAG作次的重排。a链同β链的另一个不同在于,a链的重排 用形成的编码端会被 Artemis等蛋白作用而产生一没有等位排斥现象,因此一个T细胞可以进行多轮重
956 · 特约综述 · 了免疫系统一个大难题: 如何利用有限的DNA序列 来产生如此多样的受体, 以特异性地应对这些抗原 呢？经过亿万年的进化, 哺乳动物的适应性免疫系 统获得了基因重排的能力, 从而得以解决这个问题。 TCR基因的V(D)J重排主要由淋巴细胞特异的重组 酶RAG (包括RAG1和RAG2)及广泛表达的DNA修 复蛋白来介导完成, 该过程对T淋巴细胞的正常发育 成熟起着十分重要的作用[4]。 T细胞是由造血干细胞在胸腺中发育成熟的, 成熟后的T细胞表达αβTCR或γδTCR。整个发育的 过程分为DN期(CD4/CD8双阴性)、DP期(CD4/CD8 双阳性)以及SP期(CD4/CD8单阳性)。其中DN期又 分为DN1、DN2、DN3以及DN4, 代表发育的不同 阶段。在DN3期, Tcrd、Tcrg和Tcrb便在初始表达的 重组酶作用下进行重排。T细胞开始分化成αβ或γδ 细胞[5]。以下, 我们将着重介绍产生αβT细胞的Tcra 和Tcrb的V(D)J重排过程。 在DN2期首先进行的是β链的V(D)J重排, 整个 β链的重排过程需要增强子Eβ的激活[6]。激活的Eβ可 以同D区的启动子PD特异性地相互作用[7-8], 该相互 作用可招募SWI-SNF染色质重组复合物从而促进重 排反应的进行[9]。重排反应的进行可以分成特异性 断裂和非特异性连接两个步骤[4,10]。 首先, RAG蛋白将特异性地识别重组信号序列 (RSS)并引起DNA双链断裂。这种RSS含有一个7 bp 的回文序列、一个9 bp富含AT碱基的序列以及中间 非保守的12 bp或23 bp的间隔序列, 而只有带不同长 度间隔序列的RSS才能促进重排反应的产生(12/23 准则)。在这个准则下, β链内可以发生三种重排反应: 3’Dβ23RSS和Jβ12RSS介导的重排反应、Vβ23RSS和 5’Dβ12RSS介导的重排反应以及Vβ23RSS和Jβ12- RSS介导的重排反应。然而事实上, 第三种反应在 体内是不发生的(B12/23)[11], 这是由RSS序列及侧翼 序列所决定的。如果用3’Dβ23RSS替换Vβ23RSS, 或用5’Dβ12RSS替换Jβ12RSS, VJ重排将可能直接发 生[11-12]。此外, AP-1等转录因子可以招募RAG蛋白 至3’Dβ23RSS, 这种招募可能促使DJ重排优先发生 于VD重排[13]。 最后, 非同源DNA末端连接蛋白(nonhomologous DNA end-joining proteins, NHEJ)可以非特异性 连接两个DNA片段来实现DNA最终重排。RAG作 用形成的编码端会被Artemis等蛋白作用而产生一 些回文末端[14], 但是这些粘性末端往往不能相互匹 配。因此, 体内的DNA修复机制会随机地加入或删 除一些碱基来配对两个粘性末端, 这使得Tcr基因呈 现出更大的多样性[15]。 一条染色体上Tcrb的成功重排可以抑制同源 染色体上另一个Tcrb的重排, 这一现象称为等位排 斥(allelic exclusion)[16]。Tcrb的等位排斥仅仅针对 于V-DJ的重排过程, 这可能是由于D片段与J片段相 距较近使得其重排反应发生较快, 而V片段同DJ片 段相距十分远, 容易调控其重排。至今, 等位排斥 的具体调控机制仍研究得不是很清楚, 但也取得了 一定的成果。在DN期, Tcrb高频率地同核纤层及异 染色质相互作用而抑制重排反应[17-18], 这可能使得 两个Tcrb同时发生重排几乎不可能实现。而当第一 个Tcrb重排完成后, 其产生的pre-TCR信号可以下调 RAG的表达并促使细胞进行分化从而进入DP期[19]。 在DN期, RAG的下调可以阻止第二个Tcrb的重排。 而进入DP期后, 细胞必须上调RAG来实现Tcra的重 排, 这时Tcrb基因两端的分离则可能起着等位排斥 的作用[17]。近年来, 研究人员还发现一些转录因子 如E2A和Ets-1可以调节Eβ的活性, 并可能调节等位 排斥反应[20-21]。需要指出的是, 尽管细胞内存在着 等位排斥作用, 依然有些T细胞可以逃避这一过程, 从而产生两种不同的TCR[22]。 了解了β链的重排反应及其调控, 便不难理解α 链的重排过程了。然而由于编码α链和δ链的基因在 同一个染色体上, 并且二者序列部分共用并相互穿 插, 因此其调控机制更加复杂, 有待更多的研究来解 释。与β链重排一样, α链的重排也需要特定增强子 Eα的激活。在DN期主要进行的是Eδ激活所介导的δ 链的重排。而进入DP期后, pre-TCR信号等将促使 Eα激活并促进α链的重排反应[23]。Eα的激活可能可 以使其特异性同TEA及Jα49启动子相互作用而激活 这两个启动子。TEA的激活可以使得Jα区染色质重 构, 组蛋白被甲基化, 这最终将招募重组酶介导第一 次的VJ重排[24-27]。与β链不同, α链还会进行多次的 VJ重排。TEA及Jα49介导的第一次VJ重排会使得这 两个启动子被切除, 但同时会把Vα启动子引入到J 区的5’端从而介导第二次VJ重排[28]。同样第二次的 重排会引起新的Vα启动子进入J区的5’而介导下一 次的重排。α链同β链的另一个不同在于, α链的重排 没有等位排斥现象, 因此一个T细胞可以进行多轮重
施小山等:T细胞抗原受体的结构与功能研究进展 957 排。这种多轮的重排将保证阳性选择过程,进行到应该有其他区段的作用力来保证组装的有序完成 阳性选择结束或者T细胞死亡p0。 各个亚基的1g结构域之间的结合力很弱,胞内区对 受体的组装也影响甚小。但各个亚基的茎部区已被 4T细胞抗原受体的组装 证明对TCR的组装和功能至关重要,其中CD3 如前所述,T细胞通过TCRB链或y6链识别外亚基茎部区含有CXXC基序,对受体组装很重要。这 界抗原,但这四条链的胞内段均较短而难以传递下些半胱氨酸虽然靠得很近,但却并不形成二硫键,彼 游信号。成熟T细胞表面的 apTER含四个亚基:抗原此可能通过氢键相互作用。值得一提的是,TCRa及 识别亚基αβ异源二聚体,信号亚基CD36异源二聚TCRβ链的茎部区(19~26aa)要长于CD3的茎部区 体,信号亚基CD3e异源二聚体,信号亚基《同源二(5~10aa),所以有模型提出CD3的1g结构域可能与 聚体。而76TCR以及 pre-TCR在组成上与βTCR有TCRa的lg结构域底部及其茎部区结合。突变数 定差别。与阝TCR一样,y6TCR以及pe-TCR也需据的确表明,位于TCRaβ亚基lg结构域底部的CaDE 要CD3E、CD3γ以及。但是CD36缺失的小鼠中pre环以及CβCC环分别与CD3e6及CD3e结合来介导 TCR与y6TCR的功能没有受到影响。近期的研究表受体组装例。DE环与CC’环位于一个面上,所以两 明,小鼠的6TCR的组成为TCR76CD3er:CD3er:2个CD3亚基可能结合于 TRAp的一个面上,而其对 而人的0CR的组成却为TCR6CD36CD3er:3。立面则可能是TCR受体二聚化的表面。这一新的 TCR的各个亚基序列特征基本包括胞外免疫TCR二聚化模型还有待于进一步的验证 球蛋白( immunoglobulin,lg)结构域、茎部区( stalk region)、跨膜区与胞内区。TCRa及TCR链含两个5T细胞抗原受体的结构 lg结构域,可以识别各类多肽抗原。但是它们的胞 由于TCR组成上的复杂性,目前还没有整个 内区却很短,没有转导信号的序列,因此TCR需TCR复合物的三维结构信息。TCR亚基以及CD3亚 要与另外三个信号亚基结合来转导抗原刺激信号。基的胞外1g结构域的三维结构都已经被解析叫,它 CD3分子都含一个g结构域,胞内区中含一个免疫们都属于免疫球蛋白超家族(lgSF),构象上和其他 受体酪氨酸激活模体( Immunoreceptor tyrosine- based IgSF的成员比较相似(图1),所以这里就不再赘述。 activation motif.,ITAM)。ξ链的胞外区只含9个氨基而对TCR组装最关键的跨膜区结构却研究甚少。前 酸残基,但其胞内区却含3个ITAM。在TCRωβ亚基文中已提到TCR组装的最关键作用力是疏水膜环境 识别pMHC后,抗原刺激信号会被转导到CD3和分中的静电作用力,而且这种静电作用是1个正电荷对 子的胞内ITAM区,引起酪氨酸的磷酸化,从而激活应2个负电荷,这种作用方式非常独特。结构生物学 下游信号通路。 的研究能够让我们了解这种罕见的作用方式背后 TCR的四个亚基在内质网上组装,只有组装完的化学机制。2006年, Kai Wucherpfennig实验室 整的受体复合物才被运输到质膜上发挥功能。组报道了《同源二聚体的跨膜区结构(图1),详细研究 装过程严格按照顺序进行:(1)TCRβ与CD3δ形了这个亚基中两个Asp残基如何协同的机制。这个 成四聚体;(2) TRAp:CD3e8与CD3ey形成六聚体,亚基结构能首先被成功解析的关键是形成的是共 (3)TCRuβ:CD3eδ:CD3eγ与κ形成八聚体。决定价二聚体,而且的二聚化主要是通过跨膜区的相互 亚基组装的主要是跨膜区中的酸碱残基之间的静作用来介导,因此κ的跨膜二聚体比较稳定。其他 电作用叫(图1)。这种静电作用的方式比较有趣,是CD3亚基以及TCR亚基的二聚化主要通过胞外1g结 个碱性残基与两个酸性残基结合:Lys(TCRa)构域的相互作用来完成,而且CD3e6与CD3e形成的 Asp(CD3E)/Asp(CD3δ);Lys(TCRβ):Asp(CD3ε)是非共价二聚体,因此这些亚基跨膜区二聚体的结 Gilu(CD3γ),Arg(TCRα) Asp(O/Asp()。这种不对称合非常松散,很难进行结构分析。 的静电结合不光出现于TCR,同时还主导了其他Fc 跨膜区结构揭示许多有趣的信息。(1)这个 受体、NK受体及KIR等许多免疫受体的组装 聚体的形成主要是通过亲水作用力来介导的,相 虽然静电作用是TCR组装必需的作用力,但是反疏水作用力却并不重要,这有别于许多其他跨膜 静电作用力本身并不能决定各个亚基的组装顺序,蛋白相互作用的方式。二聚体形成的主要亲水作用
施小山等: T细胞抗原受体的结构与功能研究进展 957 排。这种多轮的重排将保证阳性选择过程, 进行到 阳性选择结束或者T细胞死亡[29-30]。 4 T细胞抗原受体的组装 如前所述, T细胞通过TCR αβ链或γδ链识别外 界抗原, 但这四条链的胞内段均较短而难以传递下 游信号。成熟T细胞表面的αβTCR含四个亚基: 抗原 识别亚基αβ异源二聚体, 信号亚基CD3εδ异源二聚 体, 信号亚基CD3εγ异源二聚体, 信号亚基ζζ同源二 聚体。而γδTCR以及pre-TCR在组成上与αβTCR有 一定差别。与αβTCR一样, γδTCR以及pre-TCR也需 要CD3ε、CD3γ以及ζ。但是CD3δ缺失的小鼠中preTCR与γδTCR的功能没有受到影响[31]。近期的研究表 明, 小鼠的γδTCR的组成为TCRγδ: CD3εγ: CD3εγ: ζζ, 而人的γδTCR的组成却为TCRγδ:CD3εδ:CD3εγ: ζζ[32-33]。 TCR的各个亚基序列特征基本包括胞外免疫 球蛋白(immunoglobulin, Ig)结构域、茎部区(stalk region)、跨膜区与胞内区。TCRα及TCRβ链含两个 Ig结构域, 可以识别各类多肽抗原。但是它们的胞 内区却很短, 没有转导信号的序列, 因此TCRαβ需 要与另外三个信号亚基结合来转导抗原刺激信号。 CD3分子都含一个Ig结构域, 胞内区中含一个免疫 受体酪氨酸激活模体(immunoreceptor tyrosine-based activation motif, ITAM)。ζ链的胞外区只含9个氨基 酸残基, 但其胞内区却含3个ITAM。在TCRαβ亚基 识别pMHC后, 抗原刺激信号会被转导到CD3和ζ分 子的胞内ITAM区, 引起酪氨酸的磷酸化, 从而激活 下游信号通路。 TCR的四个亚基在内质网上组装, 只有组装完 整的受体复合物才被运输到质膜上发挥功能。组 装过程严格按照顺序进行: (1) TCRαβ与CD3εδ形 成四聚体; (2) TCRαβ: CD3εδ与CD3εγ形成六聚体; (3) TCRαβ: CD3εδ: CD3εγ与ζζ形 成 八 聚 体。 决 定 亚基组装的主要是跨膜区中的酸碱残基之间的静 电作用[34](图1)。这种静电作用的方式比较有趣, 是 一个碱性残基与两个酸性残基结合: Lys(TCRα): Asp(CD3ε)/Asp(CD3δ); Lys(TCRβ): Asp(CD3ε)/ Glu(CD3γ); Arg(TCRα): Asp(ζ)/Asp(ζ)。这种不对称 的静电结合不光出现于TCR, 同时还主导了其他Fc 受体、NK受体及KIR等许多免疫受体的组装[35]。 虽然静电作用是TCR组装必需的作用力, 但是 静电作用力本身并不能决定各个亚基的组装顺序, 应该有其他区段的作用力来保证组装的有序完成。 各个亚基的Ig结构域之间的结合力很弱, 胞内区对 受体的组装也影响甚小。但各个亚基的茎部区已被 证明对TCR的组装和功能至关重要[36-37], 其中CD3 亚基茎部区含有CxxC基序, 对受体组装很重要。这 些半胱氨酸虽然靠得很近, 但却并不形成二硫键, 彼 此可能通过氢键相互作用。值得一提的是, TCRα及 TCRβ链的茎部区(19~26 a.a.)要长于CD3的茎部区 (5~10 a.a.), 所以有模型提出CD3的Ig结构域可能与 TCRαβ的Ig结构域底部及其茎部区结合[38]。突变数 据的确表明, 位于TCRαβ亚基Ig结构域底部的Cα DE 环以及Cβ CC’环分别与CD3εδ及CD3εγ结合来介导 受体组装[39]。DE环与CC’环位于一个面上, 所以两 个CD3亚基可能结合于TCRαβ的一个面上, 而其对 立面则可能是TCR受体二聚化的表面[40]。这一新的 TCR二聚化模型还有待于进一步的验证。 5 T细胞抗原受体的结构 由于TCR组成上的复杂性, 目前还没有整个 TCR复合物的三维结构信息。TCR亚基以及CD3亚 基的胞外Ig结构域的三维结构都已经被解析[41], 它 们都属于免疫球蛋白超家族(IgSF), 构象上和其他 IgSF的成员比较相似(图1), 所以这里就不再赘述。 而对TCR组装最关键的跨膜区结构却研究甚少。前 文中已提到TCR组装的最关键作用力是疏水膜环境 中的静电作用力, 而且这种静电作用是1个正电荷对 应2个负电荷, 这种作用方式非常独特。结构生物学 的研究能够让我们了解这种罕见的作用方式背后 的化学机制。2006年, Kai Wucherpfennig实验室[42] 报道了ζζ同源二聚体的跨膜区结构(图1), 详细研究 了这个亚基中两个Asp残基如何协同的机制。这个 亚基结构能首先被成功解析的关键是ζζ形成的是共 价二聚体, 而且ζ的二聚化主要是通过跨膜区的相互 作用来介导, 因此ζζ的跨膜二聚体比较稳定。其他 CD3亚基以及TCR亚基的二聚化主要通过胞外Ig结 构域的相互作用来完成, 而且CD3εδ与CD3εγ形成的 是非共价二聚体, 因此这些亚基跨膜区二聚体的结 合非常松散, 很难进行结构分析。 ζζ跨膜区结构揭示许多有趣的信息。(1) 这个 二聚体的形成主要是通过亲水作用力来介导的, 相 反疏水作用力却并不重要, 这有别于许多其他跨膜 蛋白相互作用的方式。二聚体形成的主要亲水作用
958 特约综述 力是Thr与Tyr之间的氢键作用以及两个Asp之间的CDRl与CDR2主要结合相对保守的MHC分子,CDR 氢键作用(2)两个Asp之间通过氢键作用成为一个则主要结合多变的抗原多肽。这种结合模式可以很 整体,在它们中间还检测到了微弱的水信号,暗示着好地保证TCR特异地结合MHC分子,并能识别多变 水分子可能在《的两个Asp与TCRa链上的一个Lys的抗原 作用时起到中介的作用。这种假说需要通过解析 那TCR为什么会有MHC特异性呢?从蛋白质 亚基与TCRa的三聚体或者CD3亚基与TCR的三聚相互作用的角度上看, TCR-MHO之间并没有很好的 体结构才能真正验证。目前还缺少有关三聚体结构结构互补性,因此亲和力也不高。但是这种结合 信息,但是 James Chou实验室最新报道的NKG2C-肯定是特异性的,而且承载了重要的生理功能。虽 DAP12DAP12三聚体结构能让我们推测TCR中跨然也有文献报道在没有MHC、MHCI、CD4以及 膜区相互作用的模式。与TCR一样,NKG2C也是一CD8的情况下,TCR能识别非MHC分子。但这可 类活化型的免疫受体,通过其跨膜区的Lys与信号转能是因为在没有MHC的情况下,具有多变CDR3区 导亚基DAP12同源二聚体中的两个Asp相互作用进的TCR能够随机识别许多其他蛋白质。既然TCR有 行组装。NKG2CDAP2DAP12三聚体的结构表明MHC特异性,那这种特异性是TCR与生俱来的,还 在DAP1的Asp残基后+4位的Thr残基对DAP12与是TCR一开始没有MHC特异性,而是在胸腺中通过 NKG2C的组装至关重要。作者提出NKG2C上的Lys阴阳选择筛选出MHC特异性的TCR?目前的实验 与DAP2上的两个Asp以及两个Th形成了一个电子数据支持第一种可能性,即TCR的MHC特异性是先 云网络,由此来稳定不对称的正负电荷结合。有趣天性的。在TCR的β链上已发现了几个重要的位点 的是,DxxT模式在CD3e以及CD36上也存在,CD3yY46、Y48及E54,它们在多种 TCR-MHO结合中都起 含的是EXS模式。所以这种亲水残基电子云网络模着重要的作用。而且将它们分别突变成Aa的话, 式可能也适用于TCR的组装。实验表明,将CD3链会严重影响T细胞的发育,导致胸腺中的CD4单阳 上的Thr或Ser突变都将严重影响CD3亚基与TCR亚性和CD8单阳性细胞数量大大减少。既然TCR上 基的组装。 可能存在着与MHC结合的“通用”位点,那么MHC上 目前,最新的TCR结构研究还只停留在三聚体是否也存在着这些位点?MHC基因是人类基因组 水平。我们期待在不远的将来,生物化学与生物物中最复杂的基因之一。目前已发现了>800个MHCI 理技术上的突破能够让我们能真正解析整个TCR复等位基因,以及>600个MHCI等位基因。虽然这些 合物的三维结构,这将能使我们真正了解TCR的抗等位基因之间的序列差异非常大,但是它们还是在 原应答过程。 某些位点上有一定保守性,而且这些位点位于TCR 的结合区上。另外从结合模式上看,①BTCR结合 6T细胞抗原受体对抗原的识别 MHC的位置比较固定,基本是对角线的结合模式。 aFTER主要识别MHC所递呈的多肽抗原(pept-TCRβ链总是结合在MHC分子u1螺旋上,而TCRa链 ide-MHC,pMHC)。多肽抗原千差万别,而TCR也通总是结合在MHCI分子的2螺旋或MHC分子的β1 过基因重排产生多种多样的TCR来特异性地识别螺旋。以上这些证据都支持TCR具有先天性MH 这些抗原。MHC分子在其顶部形成一个抗原结合特异性这一观点。同时这些证据还暗示,TCR中的 腔,两周由两个α螺旋来构成边框(MHC中的a1及V基因可能与MHC存在着共进化,在TCR上含有识 α2螺旋,MHCI中αl及β螺旋),底部由多个β折叠构别MHC的“密码”。同一个TCR上可能同时存在多套 成。这样的抗原递呈腔可以结合各种各样的抗原多“密码”来识别不同的MHC分子阿,另外同一MHC分 肽。βTCR对pMHC的识别涉及到两种结合:TCR子上递呈的不同多肽也会对TCR使用哪套“密码”起 与MHC分子的结合以及TCR与多肽抗原的结合。到重要影响32。总而言之,TCR与MHC的总体结 TCR上的结合面来自6个区域:TCRα、β链上各自的合模式是固定的,但是具体结合于哪个特定的位点 CDRl、CDR2以及CDR3( complementarity- determining取决于TCR、MHC以及抗原多肽的序列,并遵循结 region)。CDRl与CDR2由TCR上的V区编码,序列相合能量最小化原则到。 对保守;而CDR3由重组的v(D)J编码,具有超变性。 对个体来说,他/她只表达特定的MHC等位基
958 · 特约综述 · 力是Thr与Tyr之间的氢键作用以及两个Asp之间的 氢键作用; (2) 两个Asp之间通过氢键作用成为一个 整体, 在它们中间还检测到了微弱的水信号, 暗示着 水分子可能在ζζ的两个Asp与TCRα链上的一个Lys 作用时起到中介的作用。这种假说需要通过解析ζζ 亚基与TCRα的三聚体或者CD3亚基与TCR的三聚 体结构才能真正验证。目前还缺少有关三聚体结构 信息, 但是James Chou实验室[43]最新报道的NKG2CDAP12/DAP12三聚体结构能让我们推测TCR中跨 膜区相互作用的模式。与TCR一样, NKG2C也是一 类活化型的免疫受体, 通过其跨膜区的Lys与信号转 导亚基DAP12同源二聚体中的两个Asp相互作用进 行组装。NKG2C-DAP12/DAP12三聚体的结构表明 在DAP12的Asp残基后+4位的Thr残基对DAP12与 NKG2C的组装至关重要。作者提出NKG2C上的Lys 与DAP12上的两个Asp以及两个Thr形成了一个电子 云网络, 由此来稳定不对称的正负电荷结合。有趣 的是, DxxxT模式在CD3ε以及CD3δ上也存在, CD3γ 含的是ExxS模式。所以这种亲水残基电子云网络模 式可能也适用于TCR的组装。实验表明, 将CD3链 上的Thr或Ser突变都将严重影响CD3亚基与TCR亚 基的组装。 目前, 最新的TCR结构研究还只停留在三聚体 水平。我们期待在不远的将来, 生物化学与生物物 理技术上的突破能够让我们能真正解析整个TCR复 合物的三维结构, 这将能使我们真正了解TCR的抗 原应答过程。 6 T细胞抗原受体对抗原的识别 αβTCR主要识别MHC所递呈的多肽抗原(peptide-MHC, pMHC)。多肽抗原千差万别, 而TCR也通 过基因重排产生多种多样的TCR来特异性地识别 这些抗原。MHC分子在其顶部形成一个抗原结合 腔, 两周由两个α螺旋来构成边框(MHCI中的α1及 α2螺旋, MHCII中α1及β1螺旋), 底部由多个β折叠构 成。这样的抗原递呈腔可以结合各种各样的抗原多 肽。αβTCR对pMHC的识别涉及到两种结合: TCR 与MHC分子的结合以及TCR与多肽抗原的结合。 TCR上的结合面来自6个区域: TCR α、β链上各自的 CDR1、CDR2以及CDR3 (complementarity-determining region)。CDR1与CDR2由TCR上的V区编码, 序列相 对保守; 而CDR3由重组的V(D)J编码, 具有超变性。 CDR1与CDR2主要结合相对保守的MHC分子, CDR3 则主要结合多变的抗原多肽。这种结合模式可以很 好地保证TCR特异地结合MHC分子, 并能识别多变 的抗原[44]。 那TCR为什么会有MHC特异性呢？从蛋白质 相互作用的角度上看, TCR-MHC之间并没有很好的 结构互补性, 因此亲和力也不高[45]。但是这种结合 肯定是特异性的, 而且承载了重要的生理功能。虽 然也有文献报道在没有MHCI、MHCII、CD4以及 CD8的情况下, TCR能识别非MHC分子[46]。但这可 能是因为在没有MHC的情况下, 具有多变CDR3区 的TCR能够随机识别许多其他蛋白质。既然TCR有 MHC特异性, 那这种特异性是TCR与生俱来的, 还 是TCR一开始没有MHC特异性, 而是在胸腺中通过 阴阳选择筛选出MHC特异性的TCR？目前的实验 数据支持第一种可能性, 即TCR的MHC特异性是先 天性的。在TCR的β链上已发现了几个重要的位点 Y46、Y48及E54, 它们在多种TCR-MHC结合中都起 着重要的作用[47-49]。而且将它们分别突变成Ala的话, 会严重影响T细胞的发育, 导致胸腺中的CD4单阳 性和CD8单阳性细胞数量大大减少[48]。既然TCR上 可能存在着与MHC结合的“通用”位点, 那么MHC上 是否也存在着这些位点？ MHC基因是人类基因组 中最复杂的基因之一。目前已发现了>800个MHCI 等位基因, 以及>600个MHCII等位基因。虽然这些 等位基因之间的序列差异非常大, 但是它们还是在 某些位点上有一定保守性, 而且这些位点位于TCR 的结合区上[44]。另外从结合模式上看, αβTCR结合 MHC的位置比较固定, 基本是对角线的结合模式。 TCRβ链总是结合在MHC分子α1螺旋上, 而TCRα链 总是结合在MHCI分子的α2螺旋或MHCII分子的β1 螺旋。以上这些证据都支持TCR具有先天性MHC 特异性这一观点。同时这些证据还暗示, TCR中的 V基因可能与MHC存在着共进化, 在TCR上含有识 别MHC的“密码”。同一个TCR上可能同时存在多套 “密码”来识别不同的MHC分子[50], 另外同一MHC分 子上递呈的不同多肽也会对TCR使用哪套“密码”起 到重要影响[51-52]。总而言之, TCR与MHC的总体结 合模式是固定的, 但是具体结合于哪个特定的位点 取决于TCR、MHC以及抗原多肽的序列, 并遵循结 合能量最小化原则[53]。 对个体来说, 他/她只表达特定的MHC等位基
施小山等:T细胞抗原受体的结构与功能研究进展 多 TCRB CD38 CDr As Asp ee Asp e eAsp TCR-CD3复合物由 TRAp(或TCRy6)、CD3E6、CD3ey和四个二聚体亚单位组成。这四个亚单位主要通过跨膜区氨基酸的静电相互作用结合 在一起。图中各亚基结构从PDB获得:LC13哪TCR胞外区结构( PDB IM5,CD3a胞外区结构(PDB1XMW,CD3e胞外区结构 (PDB ISY6,了 跨膜区结构(PDB2HAC)以及CD3ε胞内区结构(PDB2K4F) TCR-CD3 complex is composed of four dimeric modules(TCRapTcRyo, CD3EB, CD3ay and ch) assembled mainly through charge-charge interactions within transmembrane regions. TCR assembly model was generated from reported TCR subunit structures: LC13 aBTCR extracellular domain struc- ture(PDB IMIS), CD3Ed extracellular domain structure(PDB IXMW), CD3Ey extracellular domain structure(PDB ISY6), ss transmembrane domain structure(PDB 2HAC) and CD3E cytoplasmic tail structure(PDB 2K4F) 图1T细胞抗原受体的组装 Fig 1 Assembly of TCR-CD3 comple 因,T细胞的阴性选择保证了该个体产生的成熟T细识别pMHC,而通过CD3链来传递下游信号。关于 胞具有个体MHC特异性,对其它个体的MHC的亲T细胞信号转导通路的研究已经开展了很多国。当 和力则比较低。 John Kappler实验室到发现在阴性CR识别抗原呈递细胞的MHC呈递的特异性抗原 选择缺陷的小鼠所产生的T细胞对多种MHC同时肽段后, MHC-peptide-TCR三元复合物可以把信号 有高亲和力,有的TCR甚至可以同时识别MHCI与传递至T细胞内部。这个信号起初可以使得CD3胞 MHCII 内区IAM中的酪氨酸被Lck或Fyn磷酸化,而磷酸 综合以上的观点,目前的实验数据支持TCR具化的ITAM可招募Zap-70,之后Zap-70被Lck磷酸化 有先天性的MHC特异性这一观点,而在个体中的T磷酸化的Zap70又可以活化接合蛋白LAT。LAT被 细胞发育过程中,阴性选择可以筛选出个体MHC特磷酸化后激活其作为接合蛋白的功能,招募一系列 异性的TCR。当然,在筛选出的TCR中有部分会对蛋白把信号往下游传递,包括P3K、PLCY及Vavl 其他MHC有交叉反应,这也是器官移植中产生免疫等。这些蛋白在那里被磷酸化并开始介导一些经典 排斥的主要原因之一。 的信号通路,调控细胞的增殖分化等过程。以PLC-y 为例,被活化的PLC-可以水解细胞内膜的PP2而 7T细胞抗原受体的活化机制 生成IP3和DAG两种第二信使。IP3可以和内质网的 如前所述,aBT细胞抗原受体通过TCRaβ链来P3R相结合,而使其活化并释放钙离子进入细胞质
施小山等: T细胞抗原受体的结构与功能研究进展 959 因, T细胞的阴性选择保证了该个体产生的成熟T细 胞具有个体MHC特异性, 对其它个体的MHC的亲 和力则比较低。John Kappler实验室[53]发现在阴性 选择缺陷的小鼠所产生的T细胞对多种MHC同时 有高亲和力, 有的TCR甚至可以同时识别MHCI与 MHCII。 综合以上的观点, 目前的实验数据支持TCR具 有先天性的MHC特异性这一观点, 而在个体中的T 细胞发育过程中, 阴性选择可以筛选出个体MHC特 异性的TCR。当然, 在筛选出的TCR中有部分会对 其他MHC有交叉反应, 这也是器官移植中产生免疫 排斥的主要原因之一。 7 T细胞抗原受体的活化机制 如前所述, αβT细胞抗原受体通过TCRαβ链来 识别pMHC, 而通过CD3链来传递下游信号。关于 T细胞信号转导通路的研究已经开展了很多[54]。当 TCR识别抗原呈递细胞的MHC呈递的特异性抗原 肽段后, MHC-peptide-TCR三元复合物可以把信号 传递至T细胞内部。这个信号起初可以使得CD3胞 内区ITAM中的酪氨酸被Lck或Fyn磷酸化, 而磷酸 化的ITAM可招募Zap-70, 之后Zap-70被Lck磷酸化。 磷酸化的Zap-70又可以活化接合蛋白LAT。LAT被 磷酸化后激活其作为接合蛋白的功能, 招募一系列 蛋白把信号往下游传递, 包括PI3K、PLC-γ及Vav1 等。这些蛋白在那里被磷酸化并开始介导一些经典 的信号通路, 调控细胞的增殖分化等过程。以PLC-γ 为例, 被活化的PLC-γ可以水解细胞内膜的PIP2而 生成IP3和DAG两种第二信使。IP3可以和内质网的 IP3R相结合, 而使其活化并释放钙离子进入细胞质。 TCR-CD3复合物由TCRαβ (或TCRγδ)、CD3εδ、CD3εγ和ζζ四个二聚体亚单位组成。这四个亚单位主要通过跨膜区氨基酸的静电相互作用结合 在一起。图中各亚基结构从PDB获得: LC13 αβTCR胞外区结构(PDB 1MI5), CD3εδ胞外区结构(PDB 1XMW), CD3εγ胞外区结构(PDB 1SY6), ζζ 跨膜区结构(PDB 2HAC)以及CD3ε胞内区结构(PDB 2K4F)。 TCR-CD3 complex is composed of four dimeric modules (TCRαβ/TCRγδ, CD3εδ, CD3εγ and ζζ) assembled mainly through charge-charge interactions within transmembrane regions. TCR assembly model was generated from reported TCR subunit structures: LC13 αβTCR extracellular domain structure (PDB 1MI5), CD3εδ extracellular domain structure (PDB 1XMW), CD3εγ extracellular domain structure (PDB 1SY6), ζζ transmembrane domain structure (PDB 2HAC) and CD3ε cytoplasmic tail structure (PDB 2K4F). 图1 T细胞抗原受体的组装 Fig.1 Assembly of TCR-CD3 complex
特约综述 而内质网钙离子的泄露又可以激活CRAC通道,使号亚基的胞内区而言,仅CD3E链的胞内 proline rich 得钙离子从细胞外流进细胞内。钙离子浓度的增高 domain被发现在TCR活化后有略微的暴露。尽管 可以激活许许多多的钙离子结合蛋白,如钙调蛋白,这种暴露可以在 Jurkat t细胞内帮助其招募Nck而促 最终可以促进NFAT及NF-KB转录因子的激活。另进T细胞激活,但是在动物模型上CD3-Nck相互作用 方面,DAG可激活Ras及PKC0并在最终也起到激对T细胞的发育及功能并不是必需的凶。由此可见, 活AP1及NF-KB等转录因子的作用。 通过构象变化来转导抗原刺激信号在TCR上并没有 尽管T细胞受体信号在细胞内的转导途径已得到验证 经研究得比较清楚,但是pMHC结合TCR后如何引 2008年,许琛琦等发表了ITAM的酪氨酸磷酸 起ITAM磷酸化这一关键步骤的分子机制仍然是一化可以被细胞质膜动态调控的成果。他们发现CD3E 个谜,这也是当今科学研究的热点之一。在细胞膜的IAM模体富含带正电的碱性残基,而在静息状态 表面许多其它的受体与配体结合后会发生构象变下细胞质膜内层正好富含酸性磷脂s6,包括磷脂 化,这种构象的变化使得信号从胞外传至胞内,那么酰丝氨酸(PS)、磷脂酰甘油(PG)及磷脂酰肌醇(PI、 TCR是否也运用了这种机制呢?迄今为止,通过结PP、PP2或PP,因而两者可以通过静电结合来调 构生物学以及生物化学等方法发现pMHC-TCR相互控酪氨酸的磷酸化(图2)。在TCR静息状态下,CD3e 作用对TCR胞外区构象影响很小,并且对于各信的IAM完全被包埋于膜中,从而保证酪氨酸残基不 pMHC TCR o TCR复合物由TCRa(黄色)、TCRB(红色)、CD3(绿色)、CD3y(蓝色)、CDE(青色)及(粉色组成。在静息状态下,CDc链及链的胞内区同 细胞质膜内层相互作用从而使得这些链上的酪氨酸残基兔受Lck或Fyn自动磷酸化。当TCR被抗原递呈细胞所递呈的多肽抗原所激活后,CD3e 以及ξ胞内区均从膜上解离而被Lck或Fyn磷酸化。受体聚集,Cax3浓度提高以及磷脂环境变化可能是引起I^AM从质膜上解离的原因 TCR complex is composed of TCRa(yellow), TCRB (red), CD38(green), CD3y(blue), CD3E(cyan)and s(pink)chain. Cytoplasmic domains of CD3 and C chains are enriched of basic residues, which interact with the negatively charged inner leaflet of the plasma membrane. Such an interaction pro- tects ITAM tyrosine residues from spontaneous phosphorylation by Lck or Fyn at TCR quiescent stage. When TCR is activated by pMHC, CD3E and s cytoplasmic domains dissociate from plasma membrane and their ITAMs become accessible for Lck/Fyn phosphorylation. Receptor clustering, Ca- concentration increase and phospholipid environment change might all lead to the dissociation of TAM from the plasma membrane 图2T细胞抗原受体的活化机制模型 Fig. 2 The activation model of TCR-CD3 complex
960 · 特约综述 · 而内质网钙离子的泄露又可以激活CRAC通道, 使 得钙离子从细胞外流进细胞内。钙离子浓度的增高 可以激活许许多多的钙离子结合蛋白, 如钙调蛋白, 最终可以促进NFAT及NF-κB转录因子的激活。另 一方面, DAG可激活Ras及PKCθ并在最终也起到激 活AP-1及NF-κB等转录因子的作用。 尽管T细胞受体信号在细胞内的转导途径已 经研究得比较清楚, 但是pMHC结合TCR后如何引 起ITAM磷酸化这一关键步骤的分子机制仍然是一 个谜, 这也是当今科学研究的热点之一。在细胞膜 表面许多其它的受体与配体结合后会发生构象变 化, 这种构象的变化使得信号从胞外传至胞内, 那么 TCR是否也运用了这种机制呢？迄今为止, 通过结 构生物学以及生物化学等方法发现pMHC-TCR相互 作用对TCR胞外区构象影响很小[44], 并且对于各信 号亚基的胞内区而言, 仅CD3ε链的胞内proline rich domain被发现在TCR活化后有略微的暴露[55]。尽管 这种暴露可以在Jurkat T细胞内帮助其招募Nck而促 进T细胞激活, 但是在动物模型上CD3-Nck相互作用 对T细胞的发育及功能并不是必需的[56]。由此可见, 通过构象变化来转导抗原刺激信号在TCR上并没有 得到验证。 2008年, 许琛琦等[57]发表了ITAM的酪氨酸磷酸 化可以被细胞质膜动态调控的成果。他们发现CD3ε 的ITAM模体富含带正电的碱性残基, 而在静息状态 下细胞质膜内层正好富含酸性磷脂[58-60], 包括磷脂 酰丝氨酸(PS)、磷脂酰甘油(PG)及磷脂酰肌醇(PI、 PIP、PIP2或PIP3), 因而两者可以通过静电结合来调 控酪氨酸的磷酸化(图2)。在TCR静息状态下, CD3ε 的ITAM完全被包埋于膜中, 从而保证酪氨酸残基不 TCR复合物由TCRα (黄色)、TCRβ (红色)、CD3δ (绿色)、CD3γ (蓝色)、CD3ε (青色)及ζ (粉色)组成。在静息状态下, CD3ε链及ζ链的胞内区同 细胞质膜内层相互作用从而使得这些链上的酪氨酸残基免受Lck或Fyn自动磷酸化。当TCR被抗原递呈细胞所递呈的多肽抗原所激活后, CD3ε 以及ζ, 胞内区均从膜上解离而被Lck或Fyn磷酸化。受体聚集, Ca2+浓度提高以及磷脂环境变化可能是引起ITAM从质膜上解离的原因。 TCR complex is composed of TCRα (yellow), TCRβ (red), CD3δ (green), CD3γ (blue), CD3ε (cyan) and ζ (pink) chain. Cytoplasmic domains of CD3ε and ζ chains are enriched of basic residues, which interact with the negatively charged inner leaflet of the plasma membrane. Such an interaction protects ITAM tyrosine residues from spontaneous phosphorylation by Lck or Fyn at TCR quiescent stage. When TCR is activated by pMHC, CD3ε and ζ cytoplasmic domains dissociate from plasma membrane and their ITAMs become accessible for Lck/Fyn phosphorylation. Receptor clustering, Ca2+ concentration increase and phospholipid environment change might all lead to the dissociation of ITAM from the plasma membrane. 图2 T细胞抗原受体的活化机制模型 Fig.2 The activation model of TCR-CD3 complex
施小山等:T细胞抗原受体的结构与功能研究进展 被 Lck/Fyn自动磷酸化。这个模型所引发的科学问 GF et al. The structural basis for autonomous dimerization of the 题是:pMHC激活TCR后如何导致IAM从膜上解离, pre-T-cell antigen receptor. Nature 2010: 467(7317): 844-8 从而使得其酪氨酸残基暴露并被Lck/Fyn磷酸化。 4 Bassing CH, Swat w, Alt Fw. The mechanism and regulation of chromosomal V(D)J recombination Cell 2002: 109: $45-$55 ITAM从质膜上的解离可能被多种因素调节:受体5 Krangel MS. Mechanics of T cell receptor gene rearrangement 周围离子浓度的变化、脂质环境的变化以及pMHC Curr Opin Immunol 2009, 21(2): 133.9 结合引起的TCR聚集(图2)。T细胞活化后一个早期6 thieu N HW, Spicuglia. erthuy C, Ferrier P. Chromatin re- 的信号事件就是CRAC通道开放引起膜周围Ca浓 modeling by the T cell receptor (TCR)beta gene enhancer during elopment: Implications for the control of TCR- 度的迅速提高,由于ITAM与膜的结合主要通过静电 beta locus recombination. J Exp Med 2000: 192(5): 625-36 作用,所以Ca浓度的提高可能会直接影响这种静7 Spicuglia S, Kumar S,YehH, Vachel e, Chasson L, Gorbach 电结合,从而促进IAM从膜上解离;Ca2浓度的提 S, et al. Promoter activation by enhancer-dependent and -inde. 高同时会激活质膜上的磷脂双向转运酶的活性,将 pendent loading of activator and coactivator complexes. Mol Cell 酸性磷脂PS从膜内层翻转至外层,从而降低质膜内 2002,106):1479-87 8 Oestreich KJ, Cobb RM, Pierce S, Chen JZ, Ferrier P, Oltz EM 表面的负电荷含量,这可能也会促进ITAM从膜上解 Regulation of TCR beta gene assembly by a promoter/enhancer 离;另外TCR在识别抗原后会迅速发生聚集,这种聚 holocomplex Immunity 2006, 24(4): 381-91 集所引起的空间位阻效应以及TAM对有限酸性磷9 Osipovich O, Cobb RM, Oestreich KJ,. Pierce S, Ferrier p,ouz 脂的竞争效应也可能会引起ITAM从膜上解离。以 EM. Essential function for SWI-SNF chromatin-remodelin 上的几种因素之间并不相互排斥,有可能通过协调 complexes in the promoter-directed assembly. Nat Immunol 2007,8(8):809-16. 效应来调控ITAM的磷酸化。 10 Gellert M. V(D) recombination: RAG proteins, repair factors, and regulation. Annu Rev Biochem 2002: 71: 101-32. 8小结 11 Bassing CH, Alt FW, Hughes MM, D'Auteuil M, Wehrly TD TCR作为免疫系统最关键的功能蛋白之一,其 Woodman BB, et al. Recombination signal sequences restrict chromosomal V(D) recombination beyond the 12/23 rule. Na 研究已经进行了很多年,但是我们对其结构与功能 ture2000,405(6786):583-6 却仍不清楚。虽然目前各个亚基的结构正在被逐个12WuC, Bassing ch, Jung D, Woodman BB,FoyD,AtFW 解析,但是彻底弄清这个受体复合物的空间构象却 Dramatically increased rearrangement and peripheral representa- 还是一个很大的挑战。关于TCR的活化机制,传统 tion of V beta 14 driven by the 3 D beta I recombination signal sequence. Immunity 2003; 18(1): 75-85 的观点认为ITAM的磷酸化仅受激酶-磷酸酶的动态 Wang XM, Xiao G, Zhang YF, Wen XM, Gao X, Okada S, et al. 调控,但最新的研究进展表明受体周围的微环境如 Regulation of Terb recombination ordering by c-Fos-dependent 质膜磷脂组分对ITAM的磷酸化也至关重要。这些 RAG deposition. Nat Immunol 2008, 9(7): 794-80 新的发现只是照亮了冰山一角,让我们更加意识到 14 Ma YM, Pannicke U, Schwarz K, Lieber MR Hairpin opening TCR在结构与功能上的复杂性和精密性。如前文所 and overhang processing by an Artemis/DNA-dependent protein kinase complex in nonhomologous end joining and V(U recom- 述,了解TCR对认识免疫系统正常的生理功能以及 bination.cell2002;108(6):781-94 各种相关疾病有着重要的意义,因此TCR领域仍将15 Lewis sm. The mechanism of VD)J joining-lessons from mo 吸引很多免疫学家来进行研究。希望在不远的将来 lecular, immunological, and comparative analyses. Adv Immunol 我们能够彻底解析TCR的三维结构及其功能机制 1994;56:27-150. 16 Khor B. Sleckman BP Allelic exclusion at the tcr beta locus Curr Opin Immunol 2002; 14(2): 230-4 参考文献( References) 17 Skok JA, Gisler R, Novatchkova M, Farmer D, de Laat W, Bus- Ciofani M, Zuniga-Pflucker JC Determining gamma delta vers slinger M. Reversible contraction by looping of the Tcra and Tcrb alpha beta T cell development. Nat Rev Immunol 2010; 10(9) ci in rearranging thymocytes. Nat Immunol 2007: 8(4): 378 657-63. 18 Schlimgen R, Reddy KL, Singh H, Krangel MS Initiation of 2 Bonneville M. o' Brien RL. Born WK. Gamma delta t cell ef. elic exclusion by stochastic interaction of Tcrb alleles with re- fector functions: A blend of innate programming and acquired pressive nuclear compartments. Nat Immunol 2008; 9(7): 802-9 plasticity. Nat Rev Immunol 2010: 10(7): 467-78 Michie AM, Zuniga-Pflucker JC. Regulation of thymocyte 3 Pang SS, Berry R, Chen ZJ, Kjer-Nielsen L, Perugini MA, King ferentiation: Pre-TCR signals and beta-selection Semin Immunol
施小山等: T细胞抗原受体的结构与功能研究进展 961 被Lck/Fyn自动磷酸化。这个模型所引发的科学问 题是: pMHC激活TCR后如何导致ITAM从膜上解离, 从而使得其酪氨酸残基暴露并被Lck/Fyn磷酸化。 ITAM从质膜上的解离可能被多种因素调节: 受体 周围离子浓度的变化、脂质环境的变化以及pMHC 结合引起的TCR聚集(图2)。T细胞活化后一个早期 的信号事件就是CRAC通道开放引起膜周围Ca2+浓 度的迅速提高, 由于ITAM与膜的结合主要通过静电 作用, 所以Ca2+浓度的提高可能会直接影响这种静 电结合, 从而促进ITAM从膜上解离; Ca2+浓度的提 高同时会激活质膜上的磷脂双向转运酶的活性, 将 酸性磷脂PS从膜内层翻转至外层, 从而降低质膜内 表面的负电荷含量, 这可能也会促进ITAM从膜上解 离; 另外TCR在识别抗原后会迅速发生聚集, 这种聚 集所引起的空间位阻效应以及ITAM对有限酸性磷 脂的竞争效应也可能会引起ITAM从膜上解离。以 上的几种因素之间并不相互排斥, 有可能通过协调 效应来调控ITAM的磷酸化。 8 小结 TCR作为免疫系统最关键的功能蛋白之一, 其 研究已经进行了很多年, 但是我们对其结构与功能 却仍不清楚。虽然目前各个亚基的结构正在被逐个 解析, 但是彻底弄清这个受体复合物的空间构象却 还是一个很大的挑战。关于TCR的活化机制, 传统 的观点认为ITAM的磷酸化仅受激酶-磷酸酶的动态 调控, 但最新的研究进展表明受体周围的微环境如 质膜磷脂组分对ITAM的磷酸化也至关重要。这些 新的发现只是照亮了冰山一角, 让我们更加意识到 TCR在结构与功能上的复杂性和精密性。如前文所 述, 了解TCR对认识免疫系统正常的生理功能以及 各种相关疾病有着重要的意义, 因此TCR领域仍将 吸引很多免疫学家来进行研究。希望在不远的将来, 我们能够彻底解析TCR的三维结构及其功能机制。 参考文献 (References) 1 Ciofani M, Zuniga-Pflucker JC. Determining gamma delta versus alpha beta T cell development. Nat Rev Immunol 2010; 10(9): 657-63. 2 Bonneville M, O'Brien RL, Born WK. Gamma delta T cell effector functions: A blend of innate programming and acquired plasticity. Nat Rev Immunol 2010; 10(7): 467-78. 3 Pang SS, Berry R, Chen ZJ, Kjer-Nielsen L, Perugini MA, King GF, et al. The structural basis for autonomous dimerization of the pre-T-cell antigen receptor. Nature 2010; 467(7317): 844-8. 4 Bassing CH, Swat W, Alt FW. The mechanism and regulation of chromosomal V(D)J recombination. Cell 2002; 109: S45-S55. 5 Krangel MS. Mechanics of T cell receptor gene rearrangement. Curr Opin Immunol 2009; 21(2): 133-9. 6 Mathieu N HW, Spicuglia S, Verthuy C, Ferrier P. Chromatin remodeling by the T cell receptor (TCR)-beta gene enhancer during early T cell development: Implications for the control of TCRbeta locus recombination. J Exp Med 2000; 192(5): 625-36. 7 Spicuglia S, Kumar S, Yeh JH, Vachez E, Chasson L, Gorbatch S, et al. Promoter activation by enhancer-dependent and -independent loading of activator and coactivator complexes. Mol Cell 2002; 10(6): 1479-87. 8 Oestreich KJ, Cobb RM, Pierce S, Chen JZ, Ferrier P, Oltz EM. Regulation of TCR beta gene assembly by a promoter/enhancer holocomplex. Immunity 2006; 24(4): 381-91. 9 Osipovich O, Cobb RM, Oestreich KJ, Pierce S, Ferrier P, Oltz EM. Essential function for SWI-SNF chromatin-remodeling complexes in the promoter-directed assembly. Nat Immunol 2007; 8(8): 809-16. 10 Gellert M. V(D)J recombination: RAG proteins, repair factors, and regulation. Annu Rev Biochem 2002; 71: 101-32. 11 Bassing CH, Alt FW, Hughes MM, D'Auteuil M, Wehrly TD, Woodman BB, et al. Recombination signal sequences restrict chromosomal V(D)J recombination beyond the 12/23 rule. Nature 2000; 405(6786): 583-6. 12 Wu C, Bassing CH, Jung D, Woodman BB, Foy D, Alt FW. Dramatically increased rearrangement and peripheral representation of V beta 14 driven by the 3' D beta 1 recombination signal sequence. Immunity 2003; 18(1): 75-85. 13 Wang XM, Xiao G, Zhang YF, Wen XM, Gao X, Okada S, et al. Regulation of Tcrb recombination ordering by c-Fos-dependent RAG deposition. Nat Immunol 2008; 9(7): 794-801. 14 Ma YM, Pannicke U, Schwarz K, Lieber MR. Hairpin opening and overhang processing by an Artemis/DNA-dependent protein kinase complex in nonhomologous end joining and V(D)J recombination. Cell 2002; 108(6): 781-94. 15 Lewis SM. The mechanism of V(D)J joining-lessons from molecular, immunological, and comparative analyses. Adv Immunol 1994; 56: 27-150. 16 Khor B, Sleckman BP. Allelic exclusion at the TCR beta locus. Curr Opin Immunol 2002; 14(2): 230-4. 17 Skok JA, Gisler R, Novatchkova M, Farmer D, de Laat W, Busslinger M. Reversible contraction by looping of the Tcra and Tcrb loci in rearranging thymocytes. Nat Immunol 2007; 8(4): 378-87. 18 Schlimgen RJ, Reddy KL, Singh H, Krangel MS. Initiation of allelic exclusion by stochastic interaction of Tcrb alleles with repressive nuclear compartments. Nat Immunol 2008; 9(7): 802-9. 19 Michie AM, Zuniga-Pflucker JC. Regulation of thymocyte differentiation: Pre-TCR signals and beta-selection. Semin Immunol
962 特约综述 2002;14(5):311-23 phenotypes of CD3 gamma and CD3 delta immunodeficiencies. J Agata Y, Tamaki N, Sakamoto S, Ikawa T, Masuda K, Kawamoto Exp Med2007;204(11):2537-44. H, et al. Regulation of T cell receptor beta gene rearrangements 34 Call ME, Pyrdol J, wiedmann M, Wucherpfennig Kw. The or. and allelic exclusion by the helix-loop-helix protein, E47. Immu- ganizing principle in the formation of the T cell receptor-CD3 nity2007;,27(6):871-84 complex.Cel2002;110:967-79 21 Eyquem S, Chemin K, Fasseu M, Bories JC. The Ets-I transcrip- 35 Feng JW, Call ME, Wucherpfennig kw. The assembly of diverse tion factor is required for complete pre-T cell receptor function immune receptors is focused on a polar membrane-embedded nd allelic exclusion at the T cell receptor beta locus. Proc Nat interaction site. PLos Biol 2006: 4(5): 768-79 22 Brady BL, Steinel NC, Bassing CH. 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施小山等:T细胞抗原受体的结构与功能研究进展 control thymic selection. Nature 2009: 458(7241): 1043-6 55 Gil D, Schamel WwA, Montoya M, Sanchez-Madrid F, Alarcon 49 Feng D, Bond CJ, Ely LK, Maynard J, Garcia KC. Structural B. Recruitment of Nck by CD3 epsilon reveals a ligand-induced evidence for a germline-encoded T cell receptor-major histocom- conformational change essential for T cell receptor signaling and patibility complex interaction "codon". Nat Immunol 2007, 8(9) synapse formation. Cell 2002: 109(7): 901-12 975-8 56 Szymczak AL, Workman CJ, Gil D, Dilioglou S, Vignali KM Colf LA, Bankovich A, Hanick NA, Bowerman NA, Jones LI Palmer E, et al. The CD3 epsilon proline-rich sequence, and its Kranz DM, et al. How a single T cell receptor recognizes both interaction with Nck, is not required for T cell development and self and foreign MHC, Cell 2007, 129(1): 135-46 function. J Immunol 2005: 175(1): 270-5 51 Reiser JB, Arnault C, Gregoire C, Mosser T, Mazza G, Kearney 57 Xu CQ, Gagnon E, Call ME, Schnell JR, Schwieters CD, Carman A, et al. CDR3 loop flexibility contributes to the degeneracy of CV, et al. Regulation of T cell receptor activation by dynamic TCR recognition. Nat Immunol 2003: 4(3): 241-7 membrane binding of the CD3 epsilon cytoplasmic tyrosine- 52 Reiser JB, Arnault C, Guimezanes A, Gregoire C, Mosser T, based motif. Cell 2008: 135(4): 702-13 Schmitt-Verhulst AM, et al. Crystal structure of a T cell receptor 58 Yeung T, Gilbert GE, Shi J, Silvius J, Kapus A, Grinstein S bound to an allogeneic MHC molecule. Nat Immunol 2000; 1(4) Membrane phosphatidylserine regulates surface charge and pre 291-7 tein localization. Science 2008: 319(5860): 210-3 53 Huseby ES, White J, Crawford F, Vass T, Becker D, Pinilla C, et 59 Stace CL, Ktistakis NT Phosphatidic acid- and phosphatidylser- al. How the T cell repertoire becomes peptide and MHC specific ine-binding proteins Biochim Biophys Acta 2006: 1761(8):913. cell2005;122(2):247-60 54 Smith-Garvin JE, Koretzky GA, Jordan MS. T cell activation. 60 Di Paolo G, De Camilli P. Phosphoinositides in cell regulation Annu Rev Immunol 2009: 27: 591-619 and membrane dynamics. Nature 2006, 443(7112): 651-7 Structural and Functional Studies of T Cell Receptor Shi Xiaoshan, Li Lunyi, Guo Xingdong, Xu Chenqi* (State Key Laboratory of Molecular Biology, Institute of Biochemistry and Cell Biology hanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China Abstract T cell receptor(TCR) is a critical immunoreceptor expressed on the T cell surface, which spe- cifically recognizes peptide antigen-MHC (pMHC)complex and triggers T cell immune responses. Abnormal TCr function will cause autoimmunity or immunodeficiency. Unveiling TCR structure and function will help us to un- derstand the molecular basis for immune response and might lead to better design of clinical therapies for T cell related human diseases. In this paper, we reviewed recent studies on TCR structure and function, including TCR classification, gene rearrangement, receptor assembly and structure, antigen recognition and activation mechanism Key words T cell receptor; structure; gene rearrangment; antigen recognition; receptor phosphorylation This work was supported by Grants from the Ministry of Science and Technology of China(No 2011CB910901), the National Natural Science Foundation of China(No. 31070738), the Chinese Academy of Sciences Hundred Talent Project and Shanghai Pujiang Talent Project(No 1OPJ1411500) *Corresponding author. Tel: 86-21-54921317, E-mail: cqxu @sibs.accn
施小山等: T细胞抗原受体的结构与功能研究进展 963 control thymic selection. Nature 2009; 458(7241): 1043-6. 49 Feng D, Bond CJ, Ely LK, Maynard J, Garcia KC. Structural evidence for a germline-encoded T cell receptor-major histocompatibility complex interaction “codon”. Nat Immunol 2007; 8(9): 975-83. 50 Colf LA, Bankovich AJ, Hanick NA, Bowerman NA, Jones LL, Kranz DM, et al. How a single T cell receptor recognizes both self and foreign MHC. Cell 2007; 129(1): 135-46. 51 Reiser JB, Darnault C, Gregoire C, Mosser T, Mazza G, Kearney A, et al. CDR3 loop flexibility contributes to the degeneracy of TCR recognition. Nat Immunol 2003; 4(3): 241-7. 52 Reiser JB, Darnault C, Guimezanes A, Gregoire C, Mosser T, Schmitt-Verhulst AM, et al. Crystal structure of a T cell receptor bound to an allogeneic MHC molecule. Nat Immunol 2000; 1(4): 291-7. 53 Huseby ES, White J, Crawford F, Vass T, Becker D, Pinilla C, et al. How the T cell repertoire becomes peptide and MHC specific. Cell 2005; 122(2): 247-60. 54 Smith-Garvin JE, Koretzky GA, Jordan MS. T cell activation. Annu Rev Immunol 2009; 27: 591-619. 55 Gil D, Schamel WWA, Montoya M, Sanchez-Madrid F, Alarcon B. Recruitment of Nck by CD3 epsilon reveals a ligand-induced conformational change essential for T cell receptor signaling and synapse formation. Cell 2002; 109(7): 901-12. 56 Szymczak AL, Workman CJ, Gil D, Dilioglou S, Vignali KM, Palmer E, et al. The CD3 epsilon proline-rich sequence, and its interaction with Nck, is not required for T cell development and function. J Immunol 2005; 175(1): 270-5. 57 Xu CQ, Gagnon E, Call ME, Schnell JR, Schwieters CD, Carman CV, et al. Regulation of T cell receptor activation by dynamic membrane binding of the CD3 epsilon cytoplasmic tyrosinebased motif. Cell 2008; 135(4): 702-13. 58 Yeung T, Gilbert GE, Shi J, Silvius J, Kapus A, Grinstein S. Membrane phosphatidylserine regulates surface charge and protein localization. Science 2008; 319(5860): 210-3. 59 Stace CL, Ktistakis NT. Phosphatidic acid- and phosphatidylserine-binding proteins. Biochim Biophys Acta 2006; 1761(8): 913- 26. 60 Di Paolo G, De Camilli P. Phosphoinositides in cell regulation and membrane dynamics. Nature 2006; 443(7112): 651-7. Structural and Functional Studies of T Cell Receptor Shi Xiaoshan, Li Lunyi, Guo Xingdong, Xu Chenqi* (State Key Laboratory of Molecular Biology, Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China) Abstract T cell receptor (TCR) is a critical immunoreceptor expressed on the T cell surface, which specifically recognizes peptide antigen-MHC (pMHC) complex and triggers T cell immune responses. Abnormal TCR function will cause autoimmunity or immunodeficiency. Unveiling TCR structure and function will help us to understand the molecular basis for immune response and might lead to better design of clinical therapies for T cell related human diseases. In this paper, we reviewed recent studies on TCR structure and function, including TCR classification, gene rearrangement, receptor assembly and structure, antigen recognition and activation mechanism. Key words T cell receptor; structure; gene rearrangment; antigen recognition; receptor phosphorylation This work was supported by Grants from the Ministry of Science and Technology of China (No.2011CB910901), the National Natural Science Foundation of China (No.31070738), the Chinese Academy of Sciences Hundred Talent Project and Shanghai Pujiang Talent Project (No.10PJ1411500) *Corresponding author. Tel: 86-21-54921317, E-mail: cqxu@sibs.ac.cn