Nove ugotovitve krio-EM bi lahko revolucionirale zasnovo T-celične imunoterapije

Nove ugotovitve krio-EM bi lahko revolucionirale zasnovo T-celične imunoterapije

Eden najbolj vznemirljivih dosežkov pri zdravljenju raka v zadnjem desetletju je razvoj imunoterapije T-celic, ki uri bolnikov lastni imunski sistem, da prepozna in napade nevarne celice. Toda raziskovalci doslej niso mogli pridobiti celovitega razumevanja, kako dejansko delujejo. To je predstavljalo pomembno omejitev, ker so imunoterapije s T-celicami zelo učinkovite pri nekaterih oblikah raka, pri večini pa so neučinkovite – in razlogi za to niso jasni. Saj razumešPostopeklahko koristi veliko večji skupini bolnikov z rakom.

Zdaj so raziskovalci z univerze Rockefeller razkrili ključne podrobnosti o T-celičnem receptorju (TCR), ki je vdelan v celično membrano in bistvenega pomena za T-celično terapijo. Raziskovalci v Laboratoriju za molekularno elektronsko mikroskopijo so z uporabo cryo-EM za slikanje proteina v biokemičnem okolju, ki posnema njegovo naravno okolje, odkrili, da je receptor nekakšna vrečka, ki se odpre, ko je predstavljen z antigenom ali podobnim sumljivim delcem. To odkritje je v nasprotju z vsemi prejšnjimi krio-EM študijami kompleksa.

Ugotovitev romana, objavljena vKomunikacija v naraviima potencial za izboljšanje in razširitev terapij s celicami T.

"To novo, temeljno razumevanje delovanja signalnega sistema lahko pomaga preoblikovati naslednjo generacijo zdravljenja," pravi glavni avtor Ryan Notti, klinični inštruktor v Walzovem laboratoriju in posebni izredni profesor na oddelku za medicino v Memorial Sloan Kettering Cancer Center, kjer zdravi bolnike s sarkomi ali raki, ki se pojavijo v mehkih tkivih ali kosteh.

"T-celični receptor je dejansko osnova skoraj vseh onkoloških imunoterapij, zato je izjemno, da uporabljamo sistem, vendar nimamo pojma, kako dejansko deluje - in tu nastopi temeljna znanost," pravi Walz, svetovni strokovnjak za krio-EM slikanje. "To je eden najpomembnejših del, ki so kdaj izšli iz mojega laboratorija."

Aktivacija celic T

Walzov laboratorij je specializiran za vizualizacijo makromolekularnih kompleksov, zlasti proteinov celične membrane, ki posredujejo interakcije med notranjostjo in zunanjostjo celice. TCR je en tak kompleks. Ta zapletena multiproteinska struktura omogoča celicam T, da prepoznajo in se odzovejo na antigene, ki jih predstavljajo kompleksi humanega levkocitnega antigena (HLA) drugih celic. T-celične terapije so to reakcijo izkoristile za vključitev pacientovega lastnega imunskega sistema v boj proti raku.

Toda medtem ko so komponente TCR znane že desetletja, so prvi koraki v njegovi aktivaciji ostali neznani. Kot zdravnik in znanstvenik je bil Notti frustriran zaradi te vrzeli v znanju: veliko njegovih bolnikov s sarkomom ni izkoristilo prednosti imunoterapije s T-celicami in želel je razumeti, zakaj.

Določitev tega bi nam pomagala razumeti, kako informacije izven celice, kjer te antigene predstavljajo HLA, pridejo v notranjost celice, kjer signalizacija vklopi celico T.

Ryan Notti, univerza Rockefeller

Notti, ki je doktoriral. Doktoriral je iz strukturne mikrobiologije pri Rockefellerju, preden se je osredotočil na onkologijo in predlagal Walzu, naj to razišče.

Od prilagojenih membran do izboljšanih imunoterapij in cepiv

Walzova skupina je specializirana za razvoj prilagojenih membranskih okolij, katerih namen je posnemati naravno okolje določenih membranskih proteinov. »Spremenimo lahko biokemično sestavo, debelino membrane, napetost in ukrivljenost, velikost – vse vrste parametrov, za katere vemo, da vplivajo na vgrajeno beljakovino,« pravi Walz.

Za študijo so raziskovalci želeli ustvariti domače okolje za TCR in opazovati, kako se obnaša. Da bi to naredili, receptor postavijo v nanodisk, majhen kos membrane v obliki diska, ki ga v raztopini zadržuje beljakovinski oder, ki se ovije okoli roba diska. To ni bila lahka naloga; »Bil je izziv pravilno integrirati vseh osem teh proteinov v nanodisk,« pravi Notti.

Vsa dosedanja strukturna dela na TCR so bila opravljena v detergentu, ki skuša ločiti membrano od beljakovine. To je bila prva študija, ki je kompleks ponovno vključila v membrano, ugotavlja Walz.

Nato so začeli slikati s krio-EM. Te slike so pokazale, da ima T-celični receptor med počitkom zaprto, kompaktno obliko. Ko ga je molekula, ki predstavlja antigen, aktivirala, se je odprl in iztegnil, kot da bi na široko razširil roke.

To je bilo globoko presenečenje. "Podatki, ki so bili na voljo na začetku te raziskave, so pokazali, da je bil ta kompleks odprt in razširjen v stanju mirovanja," pojasnjuje Notti. "Kolikor je kdo vedel, T-celični receptor ni bil podvržen nobenim konformacijskim spremembam, ko se je vezal na te antigene. Vendar smo ugotovili, da se je odprl, da se je odprl kot nekakšna škatlica."

Raziskovalci sumijo, da je kombinacija dveh ključnih metod omogočila njihovo novo perspektivo. Najprej so sestavili pravi membranski lipidni koktajl za reprodukcijo TCRin vivookolje. In drugič, vrnili so receptor v to membransko okolje z uporabo nanodiskov pred cryo-EM analizo. Ugotovili so, da je nedotaknjena membrana ključnega pomena, ker drži TCR na mestu, dokler se ne aktivira. Z odstranitvijo membrane s čistilnim sredstvom so prejšnje študije pomotoma sprostile zapah vtičnice, kar je povzročilo, da se je predčasno odprla.

"Pomembno je bilo, da smo uporabili mešanico lipidov, ki je bila podobna mešanici naravne T-celične membrane," pravi Walz. "Če bi uporabili samo model lipidov, tudi tega zaprtega stanja mirovanja ne bi videli."

Raziskovalci so navdušeni nad potencialom svojih ugotovitev za optimizacijo terapij, ki temeljijo na receptorjih celic T. "Preoblikovanje naslednje generacije imunoterapij je prednostna naloga v smislu neizpolnjenih kliničnih potreb," pravi Notti. "Na primer, posvojitvene terapije s celicami T se uspešno uporabljajo za zdravljenje nekaterih zelo redkih sarkomov. Tako bi si lahko predstavljali uporabo naših ugotovitev za preoblikovanje občutljivosti teh receptorjev s prilagoditvijo njihovega aktivacijskega praga."

"Te informacije je mogoče uporabiti tudi za razvoj cepiva," dodaja Walz. "Ljudje na tem področju lahko zdaj uporabljajo naše strukture, da vidijo natančne podrobnosti o interakcijah med različnimi antigeni, ki jih predstavljajo receptorji celic HLA in T. Ti različni načini interakcije bi lahko imeli posledice za delovanje receptorja - in načine za njegovo optimizacijo."

Viri: