Nya kryo-EM-fynd kan revolutionera utformningen av T-cellsimmunterapi

Nya kryo-EM-fynd kan revolutionera utformningen av T-cellsimmunterapi

En av de mest spännande framstegen inom cancerbehandling under det senaste decenniet är utvecklingen av T-cellsimmunterapier, som tränar en patients eget immunsystem att känna igen och attackera farliga celler. Men forskare har hittills inte kunnat få en heltäckande förståelse för hur de faktiskt fungerar. Detta innebar en betydande begränsning eftersom T-cellsimmunterapier är mycket effektiva i vissa cancerformer, men de är ineffektiva i de flesta av dem – och orsakerna till detta är oklara. Du förstårFörfarandeskulle kunna gynna en mycket större grupp cancerpatienter.

Nu har forskare vid Rockefeller University avslöjat viktiga detaljer om T-cellsreceptorn (TCR), som är inbäddad i cellmembranet och nödvändig för T-cellsterapier. Med hjälp av cryo-EM för att avbilda proteinet i en biokemisk miljö som replikerar dess naturliga miljö, har forskare vid Laboratory of Molecular Electron Microscopy upptäckt att receptorn är en slags grippåse som öppnas när den presenteras med ett antigen eller liknande misstänkt partikel. Denna upptäckt motsäger alla tidigare cryo-EM-studier av komplexet.

Romanfyndet, publicerat iNaturkommunikationhar potential att förfina och utöka T-cellsterapier.

"Denna nya, grundläggande förståelse för hur signalsystemet fungerar kan hjälpa till att omdesigna nästa generations behandlingar", säger huvudförfattaren Ryan Notti, klinisk instruktör i Walz's labb och specialdocent vid avdelningen för medicin vid Memorial Sloan Kettering Cancer Center, där han behandlar patienter med sarkom eller cancer som uppstår i mjukvävnad eller ben.

"T-cellsreceptorn är faktiskt grunden för praktiskt taget alla onkologiska immunterapier, så det är anmärkningsvärt att vi använder systemet men inte har någon aning om hur det faktiskt fungerar - och det är där grundläggande vetenskap kommer in", säger Walz, en global expert på kryo-EM-avbildning. "Detta är ett av de viktigaste arbetena som någonsin har kommit ut från mitt laboratorium."

Aktivering av T-celler

Walz laboratorium är specialiserat på visualisering av makromolekylära komplex, särskilt cellmembranproteiner, som förmedlar interaktioner mellan cellens inre och yttre. TCR är ett sådant komplex. Denna komplicerade multiproteinstruktur tillåter T-celler att känna igen och svara på antigener som presenteras av humana leukocytantigen (HLA)-komplex från andra celler. T-cellsterapier har utnyttjat denna reaktion för att involvera patientens eget immunförsvar i kampen mot cancer.

Men medan komponenterna i TCR har varit kända i årtionden, har de tidigaste stegen i dess aktivering förblivit okända. Som läkare och vetenskapsman var Notti frustrerad över denna kunskapslucka: Många av hans sarkompatienter skördade inte fördelarna med T-cellsimmunterapier, och han ville förstå varför.

Att bestämma detta skulle hjälpa oss att förstå hur informationen utanför cellen, där dessa antigener presenteras av HLAs, kommer till insidan av cellen, där signalering sätter på T-cellen."

Ryan Notti, Rockefeller University

Notti, som tog sin doktorsexamen. Han tog sin doktorsexamen i strukturell mikrobiologi från Rockefeller innan han flyttade fokus till onkologi och föreslog att Walz skulle undersöka det.

Från skräddarsydda membran till förbättrade immunterapier och vacciner

Walz grupp är specialiserad på att utveckla skräddarsydda membranmiljöer som syftar till att efterlikna den naturliga miljön hos vissa membranproteiner. "Vi kan ändra den biokemiska sammansättningen, tjockleken på membranet, spänningen och krökningen, storleken - alla möjliga parametrar som vi vet har en inverkan på det inbäddade proteinet", säger Walz.

För studien ville forskarna skapa en inhemsk miljö för TCR och observera hur den beter sig. För att göra detta placerar de receptorn i en nanoskiva, en liten skivformad bit av membranet som hålls i lösning av ett ställningsprotein som sveper runt kanten på skivan. Det var ingen lätt uppgift; "Det var en utmaning att korrekt integrera alla åtta dessa proteiner i nanoskivan", säger Notti.

Allt strukturellt arbete på TCR hittills har gjorts i tvättmedel, som tenderar att lossa membranet från proteinet. Detta var den första studien som återinförde komplexet i ett membran, noterar Walz.

De började sedan kryo-EM-avbildning. Dessa bilder visade att T-cellsreceptorn hade en sluten, kompakt form vid vila. När den väl aktiverats av en antigenpresenterande molekyl öppnade den sig och sträckte ut sig, som om den spred sina armar brett.

Det var en djup överraskning. "De data som var tillgängliga i början av denna forskning visade att detta komplex var öppet och expanderat i viloläge", förklarar Notti. "Såvitt någon visste, genomgick inte T-cellsreceptorn några konformationsförändringar när den band till dessa antigener. Men vi upptäckte att den öppnade sig och öppnade sig som någon form av jack-in-the-box."

Forskarna misstänker att kombinationen av två nyckelmetoder möjliggjorde deras nya perspektiv. Först satte de ihop rätt membranlipidcocktail för att reproducera TCRin vivoMiljö. Och för det andra returnerade de receptorn till denna membranmiljö med hjälp av nanoskivor före cryo-EM-analys. De fann att ett intakt membran är nyckeln eftersom det håller TCR på plats tills det aktiveras. Genom att ta bort membranet med ett rengöringsmedel, hade tidigare studier av misstag släppt jack-in-the-boxens spärr, vilket fick den att öppnas i förtid.

"Det var viktigt att vi använde en lipidblandning som liknade den i det naturliga T-cellmembranet", säger Walz. "Om vi ​​bara hade använt en modelllipid, skulle vi inte heller ha sett detta slutna vilotillstånd."

Forskarna är entusiastiska över potentialen i deras fynd för att optimera terapier baserade på T-cellsreceptorer. "Att göra om nästa generations immunterapier är en prioritet när det gäller otillfredsställda kliniska behov", säger Notti. "Till exempel används adoptiv T-cellsterapi framgångsrikt för att behandla vissa mycket sällsynta sarkom. Så man skulle kunna tänka sig att använda våra resultat för att omforma känsligheten hos dessa receptorer genom att justera deras aktiveringströskel."

"Denna information kan också användas för vaccinutveckling," tillägger Walz. "Människor inom detta område kan nu använda våra strukturer för att se förfinade detaljer om interaktionerna mellan olika antigener som presenteras av HLA- och T-cellsreceptorer. Dessa olika interaktionssätt kan ha konsekvenser för hur receptorn fungerar - och sätt att optimera den."

Källor: