Nowatorskie odkrycia Cryo-EM mogą zrewolucjonizować projektowanie immunoterapii komórkami T

Nowatorskie odkrycia Cryo-EM mogą zrewolucjonizować projektowanie immunoterapii komórkami T

Jednym z najbardziej ekscytujących postępów w leczeniu nowotworów w ostatniej dekadzie jest rozwój immunoterapii wykorzystujących komórki T, które szkolą układ odpornościowy pacjenta w zakresie rozpoznawania i atakowania niebezpiecznych komórek. Jednak badaczom jak dotąd nie udało się uzyskać kompleksowego zrozumienia ich faktycznego działania. Stanowi to istotne ograniczenie, ponieważ chociaż immunoterapie limfocytami T są bardzo skuteczne w przypadku niektórych nowotworów, w przypadku większości z nich są nieskuteczne – a przyczyny tego stanu są niejasne. RozumieszProceduramogłoby przynieść korzyści znacznie większej grupie pacjentów chorych na raka.

Teraz badacze z Uniwersytetu Rockefellera ujawnili kluczowe szczegóły dotyczące receptora komórek T (TCR), który jest osadzony w błonie komórkowej i jest niezbędny w terapiach komórkami T. Wykorzystując technologię Cryo-EM do obrazowania białka w środowisku biochemicznym, które replikuje jego środowisko naturalne, naukowcy z Laboratorium Molekularnej Mikroskopii Elektronowej odkryli, że receptor to rodzaj worka, który otwiera się po zetknięciu z antygenem lub podobnie podejrzaną cząstką. Odkrycie to zaprzecza wszystkim wcześniejszym badaniom kompleksu metodą krio-EM.

Nowatorskie odkrycie, opublikowane wKomunikacja przyrodniczama potencjał do udoskonalenia i rozszerzenia terapii komórkami T.

„To nowe, fundamentalne zrozumienie działania systemu sygnalizacyjnego może pomóc w przeprojektowaniu terapii nowej generacji” – mówi główny autor Ryan Notti, instruktor kliniczny w laboratorium Walza i profesor nadzwyczajny na wydziale medycyny w Memorial Sloan Kettering Cancer Center, gdzie leczy pacjentów z mięsakami, czyli nowotworami tkanek miękkich lub kości.

„Receptor limfocytów T jest właściwie podstawą praktycznie wszystkich immunoterapii onkologicznych, dlatego niezwykłe jest to, że używamy tego systemu, ale nie mamy pojęcia, jak on w rzeczywistości działa – i tu właśnie wkraczają podstawy wiedzy naukowej” – mówi Walz, światowy ekspert w dziedzinie obrazowania krio-EM. „To jedna z najważniejszych prac, jakie kiedykolwiek powstały w moim laboratorium”.

Aktywacja limfocytów T

Laboratorium Walza specjalizuje się w wizualizacji kompleksów makromolekularnych, zwłaszcza białek błony komórkowej, które pośredniczą w interakcjach pomiędzy wnętrzem komórki i jej zewnętrzem. TCR jest jednym z takich kompleksów. Ta skomplikowana struktura wielobiałkowa umożliwia limfocytom T rozpoznawanie i reagowanie na antygeny prezentowane przez kompleksy ludzkiego antygenu leukocytowego (HLA) innych komórek. W terapii komórkami T wykorzystano tę reakcję, aby włączyć układ odpornościowy pacjenta w walkę z rakiem.

Chociaż składniki TCR są znane od dziesięcioleci, najwcześniejsze etapy jego aktywacji pozostają nieznane. Jako lekarz i naukowiec Notti był sfrustrowany tą luką w wiedzy: wielu jego pacjentów z mięsakiem nie czerpało korzyści z immunoterapii limfocytami T, a on chciał zrozumieć, dlaczego.

Ustalenie tego pomogłoby nam zrozumieć, w jaki sposób informacja z zewnątrz komórki, gdzie antygeny są prezentowane przez HLA, dociera do wnętrza komórki, gdzie sygnalizacja włącza komórkę T.

Ryan Notti z Uniwersytetu Rockefellera

Notti, który uzyskał stopień doktora. Uzyskał doktorat z mikrobiologii strukturalnej u Rockefellera, po czym skupił się na onkologii i zasugerował Walzowi zbadanie tej kwestii.

Od dostosowanych membran po ulepszone immunoterapie i szczepionki

Grupa Walza specjalizuje się w opracowywaniu dostosowanych środowisk błonowych, których celem jest naśladowanie naturalnego środowiska niektórych białek błonowych. „Możemy zmieniać skład biochemiczny, grubość błony, napięcie i krzywiznę, rozmiar – wszelkiego rodzaju parametry, o których wiemy, że mają wpływ na osadzone w nich białko” – mówi Walz.

Na potrzeby badania badacze chcieli stworzyć natywne środowisko dla TCR i obserwować jego zachowanie. Aby to zrobić, umieszczają receptor w nanodysku – małym kawałku membrany w kształcie dysku, utrzymywanym w roztworze przez białko rusztowania owijające się wokół krawędzi dysku. Nie było to łatwe zadanie; „Prawidłowe zintegrowanie wszystkich ośmiu białek z nanodyskiem było wyzwaniem” – mówi Notti.

Wszystkie dotychczasowe prace strukturalne nad TCR były wykonywane w detergencie, który ma tendencję do oddzielania membrany od białka. Było to pierwsze badanie, w którym ponownie włączono kompleks do błony, zauważa Walz.

Następnie rozpoczęli obrazowanie krio-EM. Obrazy te pokazały, że receptor limfocytów T w stanie spoczynku miał zamknięty, zwarty kształt. Po aktywacji przez cząsteczkę prezentującą antygen otwierał się i rozciągał, jakby szeroko rozkładał ramiona.

To było głębokie zaskoczenie. „Dane dostępne na początku badań wykazały, że kompleks ten był otwarty i rozszerzony w stanie spoczynku” – wyjaśnia Notti. „O ile ktokolwiek wiedział, receptor komórek T nie uległ żadnym zmianom konformacyjnym, gdy związał się z tymi antygenami. Odkryliśmy jednak, że rzeczywiście się otworzył, wyskakując jak jakiś jack-in-the-box”.

Naukowcy podejrzewają, że połączenie dwóch kluczowych metod umożliwiło im nową perspektywę. Najpierw stworzyli odpowiedni koktajl lipidów błonowych, aby odtworzyć TCRna żywoŚrodowisko. Po drugie, przed analizą Cryo-EM za pomocą nanodysków przywrócono receptor do środowiska błonowego. Odkryli, że nienaruszona membrana ma kluczowe znaczenie, ponieważ utrzymuje TCR na miejscu do czasu aktywacji. W poprzednich badaniach po usunięciu membrany środkiem czyszczącym przypadkowo zwolniono zatrzask podnośnika, powodując jego przedwczesne otwarcie.

„Ważne było, abyśmy zastosowali mieszaninę lipidów podobną do błony natywnych komórek T” – mówi Walz. „Gdybyśmy użyli tylko lipidu modelowego, również nie widzielibyśmy tego zamkniętego stanu spoczynku”.

Naukowcy są podekscytowani potencjałem swoich odkryć w zakresie optymalizacji terapii opartych na receptorach komórek T. „Przeprojektowanie immunoterapii nowej generacji jest priorytetem ze względu na niezaspokojone potrzeby kliniczne” – mówi Notti. „Na przykład adoptywne terapie komórkami T są z powodzeniem stosowane w leczeniu niektórych bardzo rzadkich mięsaków. Można więc wyobrazić sobie wykorzystanie naszych odkryć do przeprojektowania wrażliwości tych receptorów poprzez dostosowanie ich progu aktywacji”.

„Informacje te można również wykorzystać do opracowania szczepionki” – dodaje Walz. „Osoby zajmujące się tą dziedziną mogą teraz korzystać z naszych struktur, aby zobaczyć szczegółowe informacje na temat interakcji między różnymi antygenami prezentowanymi przez receptory HLA i limfocyty T. Te różne tryby interakcji mogą mieć wpływ na działanie receptora i sposoby jego optymalizacji”.

Źródła: