T细胞抗原受体的结构与功能研究进展.pdf

中国细胞生物学学报 Chinese Journal of Cell Biology 2011,33(9):955963http:/www.cjcb.orgT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: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:/ 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:T细胞以及T细胞。T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T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TCR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:TCR、TCR以及pre-TCR。其中pre-TCR只表达于未成熟的T细胞表面,TCR表达于成熟的T细胞和NKT细胞表面,而TCR则表达于T细胞的表面。位于T细胞表面的TCR识别MHCI/II递呈的多肽抗原;NKT细胞表面的TCR识别CD1递呈的脂质抗原;TCR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。TCR与TCR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TCR或TCR。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细胞开始分化成或细胞5。以下,我们将着重介绍产生T细胞的Tcra和Tcrb的V(D)J重排过程。在DN2期首先进行的是链的V(D)J重排,整个链的重排过程需要增强子E的激活6。激活的E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,链内可以发生三种重排反应:3D23RSS和J12RSS介导的重排反应、V23RSS和 5D12RSS介导的重排反应以及V23RSS和J12-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3D23RSS替换V23RSS,或用5D12RSS替换J12RSS,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3D23RSS,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(nonhomolo-gous 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E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TCR22。了解了链的重排反应及其调控,便不难理解链的重排过程了。然而由于编码链和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。与链重排一样,链的重排也需要特定增强子E的激活。在DN期主要进行的是E激活所介导的链的重排。而进入DP期后,pre-TCR信号等将促使E激活并促进链的重排反应23。E的激活可能可以使其特异性同TEA及J49启动子相互作用而激活这两个启动子。TEA的激活可以使得J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。与链不同,链还会进行多次的VJ重排。TEA及J49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V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V启动子进入J区的5而介导下一次的重排。链同链的另一个不同在于,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 链或链识别外界抗原,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TCR含四个亚基:抗原识别亚基异源二聚体,信号亚基CD3异源二聚体,信号亚基CD3异源二聚体,信号亚基同源二聚体。而TCR以及pre-TCR在组成上与TCR有一定差别。与TCR一样,TCR以及pre-TCR也需要CD3、CD3以及。但是CD3缺失的小鼠中pre-TCR与TCR的功能没有受到影响31。近期的研究表明,小鼠的TCR的组成为TCR:CD3:CD3:,而人的TCR的组成却为TCR:CD3:CD3:32-33。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。TCR及TCR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TCR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)。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TCR亚基识别pMHC后,抗原刺激信号会被转导到CD3和分子的胞内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)TCR与CD3形成四聚体;(2)TCR:CD3与CD3形成六聚体;(3)TCR:CD3:CD3与形成八聚体。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(TCR):Asp(CD3)/Asp(CD3);Lys(TCR):Asp(CD3)/Glu(CD3);Arg(TCR):Asp()/Asp()。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,TCR及TCR链的茎部区(1926 a.a.)要长于CD3的茎部区(510 a.a.),所以有模型提出CD3的Ig结构域可能与TCR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TCR亚基Ig结构域底部的C DE环以及C CC环分别与CD3及CD3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TCR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