Nye cryo-EM-fund kunne revolutionere designet af T-celle immunterapi

Nye cryo-EM-fund kunne revolutionere designet af T-celle immunterapi

Et af de mest spændende fremskridt inden for kræftbehandling i det sidste årti er udviklingen af ​​T-celle immunterapier, som træner en patients eget immunsystem til at genkende og angribe farlige celler. Men forskerne har hidtil ikke været i stand til at få en samlet forståelse af, hvordan de rent faktisk fungerer. Dette udgjorde en væsentlig begrænsning, fordi mens T-celle immunterapier er yderst effektive i visse kræftformer, er de ineffektive i de fleste af dem - og årsagerne til dette er uklare. Du forstårProcedurekunne gavne en langt større gruppe kræftpatienter.

Nu har forskere ved Rockefeller University afsløret nøgledetaljer om T-cellereceptoren (TCR), som er indlejret i cellemembranen og essentiel for T-celleterapier. Ved at bruge cryo-EM til at afbilde proteinet i et biokemisk miljø, der replikerer dets naturlige miljø, har forskere ved Laboratory of Molecular Electron Microscopy opdaget, at receptoren er en slags gribepose, der springer op, når den præsenteres for et antigen eller en lignende mistænkelig partikel. Denne opdagelse modsiger alle tidligere cryo-EM undersøgelser af komplekset.

Romanfundet, udgivet iNaturkommunikationhar potentialet til at forfine og udvide T-celleterapier.

"Denne nye, grundlæggende forståelse af, hvordan signalsystemet fungerer, kan hjælpe med at redesigne den næste generation af behandlinger," siger hovedforfatter Ryan Notti, klinisk instruktør i Walz's laboratorium og speciallektor i afdelingen for medicin ved Memorial Sloan Kettering Cancer Center, hvor han behandler patienter med sarkomer eller kræftformer, der opstår i blødt væv eller knogler.

"T-cellereceptoren er faktisk grundlaget for stort set alle onkologiske immunterapier, så det er bemærkelsesværdigt, at vi bruger systemet, men ikke aner, hvordan det rent faktisk virker - og det er her, grundlæggende videnskab kommer ind," siger Walz, en global ekspert i kryo-EM-billeddannelse. "Dette er et af de vigtigste stykker arbejde, der nogensinde er kommet ud af mit laboratorium."

Aktivering af T-celler

Walz' laboratorium har specialiseret sig i visualisering af makromolekylære komplekser, især cellemembranproteiner, der medierer interaktioner mellem cellens indre og ydre. TCR er et sådant kompleks. Denne komplicerede multiproteinstruktur gør det muligt for T-celler at genkende og reagere på antigener præsenteret af humane leukocytantigen (HLA) komplekser fra andre celler. T-celleterapier har udnyttet denne reaktion til at inddrage patientens eget immunsystem i kampen mod kræft.

Men mens komponenterne i TCR har været kendt i årtier, er de tidligste trin i dens aktivering forblevet ukendte. Som læge og videnskabsmand var Notti frustreret over dette hul i viden: Mange af hans sarkompatienter høstede ikke fordelene ved T-celle immunterapier, og han ønskede at forstå hvorfor.

At bestemme dette ville hjælpe os med at forstå, hvordan informationen uden for cellen, hvor disse antigener præsenteres af HLA'er, kommer til indersiden af ​​cellen, hvor signalering tænder for T-cellen."

Ryan Notti, Rockefeller University

Notti, der modtog sin ph.d. Han fik sin doktorgrad i strukturel mikrobiologi fra Rockefeller, før han flyttede sit fokus til onkologi og foreslog, at Walz skulle undersøge det.

Fra skræddersyede membraner til forbedrede immunterapier og vacciner

Walz's gruppe har specialiseret sig i at udvikle skræddersyede membranmiljøer, der har til formål at efterligne det naturlige miljø af visse membranproteiner. "Vi kan ændre den biokemiske sammensætning, tykkelsen af ​​membranen, spændingen og krumningen, størrelsen - alle mulige parametre, som vi ved har indflydelse på det indlejrede protein," siger Walz.

Til undersøgelsen ønskede forskerne at skabe et naturligt miljø for TCR og observere, hvordan det opfører sig. For at gøre dette placerer de receptoren i en nanodisk, et lille skiveformet stykke membran, der holdes i opløsning af et stilladsprotein, der vikler sig rundt om kanten af ​​disken. Det var ikke nogen let opgave; "Det var en udfordring at integrere alle otte af disse proteiner korrekt i nanoskiven," siger Notti.

Alt strukturelt arbejde på TCR til dato er blevet udført i vaskemiddel, som har en tendens til at løsne membranen fra proteinet. Dette var den første undersøgelse, der geninkorporerede komplekset i en membran, bemærker Walz.

De begyndte derefter kryo-EM billeddannelse. Disse billeder viste, at T-cellereceptoren havde en lukket, kompakt form, når den hvilede. Når det først blev aktiveret af et antigenpræsenterende molekyle, åbnede det sig og strakte sig ud, som om det spredte sine arme bredt.

Det var en dyb overraskelse. "De tilgængelige data i begyndelsen af ​​denne forskning viste, at dette kompleks var åbent og udvidet i sin hviletilstand," forklarer Notti. "Så vidt nogen vidste, undergik T-cellereceptoren ingen konformationsændringer, da den bandt sig til disse antigener. Men vi fandt ud af, at den åbnede sig og åbnede sig som en slags jack-in-the-box."

Forskerne formoder, at kombinationen af ​​to nøglemetoder muliggjorde deres nye perspektiv. Først samlede de den rigtige membranlipidcocktail for at reproducere TCR'ernein vivoMiljø. Og for det andet returnerede de receptoren til dette membranmiljø ved hjælp af nanodiske før cryo-EM-analyse. De fandt ud af, at en intakt membran er nøglen, fordi den holder TCR'en på plads, indtil den aktiveres. Ved at fjerne membranen med et rengøringsmiddel, havde tidligere undersøgelser ved et uheld frigivet jack-in-the-box-låsen, hvilket fik den til at åbne sig for tidligt.

"Det var vigtigt, at vi brugte en lipidblanding, der svarede til den fra den native T-cellemembran," siger Walz. "Hvis vi kun havde brugt et modellipid, ville vi heller ikke have set denne lukkede hviletilstand."

Forskerne er begejstrede for potentialet i deres resultater for at optimere behandlinger baseret på T-cellereceptorer. "Redesign af næste generation af immunterapier er en prioritet i forhold til udækkede kliniske behov," siger Notti. "For eksempel er adoptive T-celleterapier med succes brugt til at behandle visse meget sjældne sarkomer. Så man kunne forestille sig at bruge vores resultater til at redesigne følsomheden af ​​disse receptorer ved at justere deres aktiveringstærskel."

"Denne information kan også bruges til vaccineudvikling," tilføjer Walz. "Folk i dette felt kan nu bruge vores strukturer til at se raffinerede detaljer om interaktionerne mellem forskellige antigener præsenteret af HLA- og T-cellereceptorer. Disse forskellige interaktionsmåder kan have betydning for, hvordan receptoren virker - og måder at optimere den på."

Kilder: