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

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

另一類T細胞的“神秘”識別機制

“20年前我就開始關注這個問題了?！鄙钜?1點，張永輝還沒有離開清華大學藥學院的辦公室。這是他的工作常態(tài)。

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

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

其中，αβT細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細胞——γδT細胞的免疫識別機制一直沒有得到全面解析。

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

“對αβT細胞識別機制的認知，奠定了眾多醫(yī)療技術的理論基礎，包括疫苗接種、自身免疫疾病治療及腫瘤細胞治療等?！睆堄垒x說，然而，γδT細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。“深入了解γδT細胞的生物學機制將有望拓展醫(yī)學技術的應用領域，擺脫αβT細胞的傳統(tǒng)框架?！?/p>

“科學的認知需要積累，不是一蹴而就的。”張永輝說，γδT細胞識別機制的研究經(jīng)歷了很長的時間。

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

然而，處于靶細胞外部的T細胞如何感知隱藏在其內部的磷抗原，也就是靶細胞“內心”的變化，終究很難于理解。

直到2010年前后，科學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開始建立自己的課題組，探索代謝對免疫的調控，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的。

“磷抗原實際上是類異戊二烯這種脂質產物的起始原料或者中間體?！睆堄垒x說，此后，科學家們漸漸發(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

“靶細胞跨膜蛋白BTN3A1對于γδT細胞的作用，就像MHC對于αβT細胞的作用。”張永輝說，然而，“抗原結合在MHC的胞外段進而活化T細胞”是免疫學領域內對αβT細胞識別機制的“經(jīng)典”理解，這也誤導了一些學者在γδT細胞識別模式上犯了“形式上”的錯誤。

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

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

可這也帶來了理解上的困難——既然結合位點在靶細胞內部，那么γδT細胞如何才能識別靶細胞內部的抗原變化呢？

“我原來是學化學的，轉到免疫學研究上來。”所以，張永輝對分子之間的相互作用很敏感。這幫助他產生了一個重要的設想。

“因為γδT細胞受體對腫瘤及病原體的感知異常靈敏，而磷抗原與BTN3A1的結合強度遠不足于高效激活γδT 細胞?！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)相關研究，而正在攻讀博士學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，澳大利亞的科學家率先在《科學》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細胞受體結合。

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》的發(fā)現(xiàn)證明他們的假設和研究思路都是正確的。與此同時，《科學》雜志報道的內容還沒有完全講清楚胞內段的結合是如何發(fā)生，繼而又如何導致胞外段對T細胞的激活，以及兩個跨膜蛋白究竟如何“團結協(xié)作”……

這個問題還有未解之謎，還有空間，必須堅持下去。

免疫學里的“分子膠水”

“胞內是磷抗原的起始，跨膜‘雙胞胎’蛋白的作用，必定離不開胞內的研究。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個單細胞原子力顯微鏡測試，12個晶體結構的獲取，13個磷抗原的化學合成，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，他們詳細地展示了磷抗原如何像“分子膠水”一樣，促進了BTN3A1與BTN2A1在靶細胞內部的緊密結合。

“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，美國科學家Stuart L Schreiber在30年前發(fā)現(xiàn)環(huán)孢素能夠將兩個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里應用到“分子膠水”這一概念。這一次，依然是早年學習的化學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，它們的胞外部位結合在一起，胞內部位互相分離。當磷抗原像膠水一樣把二者位于細胞內的部位拉到一起后，原來挨在一起的胞外結合部分開了。

分開后“自由”的BTN3A1與BTN2A1同時與gdT細胞結合?！皞€人的力量是有效的，合作的力量是強大的。”張永輝說，兩個蛋白共同參與了對磷抗原的捕獲和對gdT細胞的激活，這一發(fā)現(xiàn)完美地解釋了γδT細胞的“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同行的認可。

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

“T細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，一種癌細胞幾乎就對應一種多肽抗原。在癌癥治療和疫苗研制過程中，傳統(tǒng)的利用αβT細胞的療法需要針對多樣化的多肽抗原“定制”方案。而胞內產生的磷抗原卻只有一種，因而更易于識別。

不過，他強調，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細胞能夠高效地識別和攻擊腫瘤細胞和感染細胞。

“希望我們的工作能打開認知塵封的大門，引來免疫治療新的曙光?！睆堄垒x說。

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

來源：中國科學報