冷冻电镜的新发现可能会彻底改变 T 细胞免疫疗法的设计

冷冻电镜的新发现可能会彻底改变 T 细胞免疫疗法的设计

过去十年中癌症治疗最令人兴奋的进展之一是 T 细胞免疫疗法的发展，它训练患者自身的免疫系统识别和攻击危险细胞。但迄今为止，研究人员还无法全面了解它们的实际工作原理。这存在很大的局限性，因为虽然 T 细胞免疫疗法对某些癌症非常有效，但对大多数癌症却无效，而且其原因尚不清楚。你明白程序可以使更多的癌症患者受益。

现在，洛克菲勒大学的研究人员揭示了 T 细胞受体 (TCR) 的关键细节，该受体嵌入细胞膜中，对于 T 细胞疗法至关重要。分子电子显微镜实验室的研究人员利用冷冻电镜在复制其自然环境的生化环境中对蛋白质进行成像，发现受体是一种抓包，当遇到抗原或类似的可疑颗粒时，它会弹出。这一发现与之前所有对该复合物的冷冻电镜研究相矛盾。

这项新颖的发现发表于自然交流具有完善和扩展 T 细胞疗法的潜力。

“对信号系统如何工作的这种新的、基本的理解可以帮助重新设计下一代治疗方法，”主要作者 Ryan Notti 说，他是 Walz 实验室的临床讲师，也是纪念斯隆凯特琳癌症中心医学系的特别副教授，他在该中心治疗肉瘤或软组织或骨骼中出现的癌症患者。

“T 细胞受体实际上是几乎所有肿瘤免疫疗法的基础，因此值得注意的是，我们使用该系统但不知道它实际上是如何工作的 - 这就是基础科学的用武之地，”冷冻电镜成像领域的全球专家 Walz 说。 “这是我实验室迄今为止最重要的工作之一。”

T细胞的激活

沃尔兹的实验室专门研究大分子复合物的可视化，特别是介导细胞内部和外部之间相互作用的细胞膜蛋白。 TCR 就是这样一个复杂的系统。这种复杂的多蛋白结构使 T 细胞能够识别并响应其他细胞的人类白细胞抗原 (HLA) 复合物呈递的抗原。 T细胞疗法利用了这种反应，让患者自身的免疫系统参与对抗癌症。

然而，尽管 TCR 的组成部分已为人所知数十年，但其激活的最早步骤仍然未知。作为一名医生和科学家，诺蒂对这种知识差距感到沮丧：他的许多肉瘤患者没有从 T 细胞免疫疗法中获益，他想了解原因。

确定这一点将有助于我们了解来自细胞外部的信息（这些抗原由 HLA 呈递）如何到达细胞内部，其中信号传导会启动 T 细胞。”

瑞安·诺蒂，洛克菲勒大学

诺蒂，获得博士学位。他在洛克菲勒大学获得了结构微生物学博士学位，然后将注意力转向肿瘤学，并建议沃尔兹对此进行研究。

从定制膜到改进的免疫疗法和疫苗

Walz 的团队专门开发定制的膜环境，旨在模仿某些膜蛋白的自然环境。 “我们可以改变生化成分、膜的厚度、张力和曲率、尺寸——我们知道这些参数都会影响嵌入的蛋白质，”沃尔兹说。

在这项研究中，研究人员希望为 TCR 创建一个原生环境并观察其行为。为此，他们将受体放置在纳米圆盘中，纳米圆盘是一小片圆盘状的膜，通过包裹在圆盘边缘的支架蛋白将其保持在溶液中。这不是一件容易的事。 “将所有八种蛋白质正确整合到纳米圆盘中是一个挑战，”诺蒂说。

迄今为止，TCR 的所有结构工作都是在去污剂中完成的，这往往会使膜与蛋白质分离。沃尔兹指出，这是第一项将该复合物重新整合到膜中的研究。

然后他们开始冷冻电镜成像。这些图像显示，T 细胞受体在休息时具有闭合、紧凑的形状。一旦被抗原呈递分子激活，它就会张开并伸展，就像张开双臂一样。

这是一个深深的惊喜。 “这项研究开始时获得的数据表明，这个复合体在静止状态下是开放和扩张的，”诺蒂解释道。 “据大家所知，T 细胞受体与这些抗原结合时不会发生任何构象变化。但我们发现它确实会突然打开，就像某种玩偶盒子一样突然打开。”

研究人员怀疑，两种关键方法的结合使他们获得了新的视角。首先，他们组装了正确的膜脂混合物来复制 TCR体内环境。其次，他们在冷冻电镜分析之前使用纳米圆盘将受体返回到这种膜环境中。他们发现完整的膜是关键，因为它在激活之前将 TCR 固定在适当的位置。之前的研究通过用清洁剂去除薄膜，意外地释放了玩偶盒的闩锁，导致其过早打开。

“重要的是，我们使用了与天然 T 细胞膜相似的脂质混合物，”Walz 说。 “如果我们只使用模型脂质，我们也不会看到这种封闭的静息状态。”

研究人员对他们的发现优化基于 T 细胞受体的疗法的潜力感到兴奋。 “针对未满足的临床需求，重新设计下一代免疫疗法是当务之急，”诺蒂说。 “例如，过继性 T 细胞疗法已成功用于治疗某些非常罕见的肉瘤。因此，人们可以想象利用我们的发现，通过调整这些受体的激活阈值来重新设计这些受体的敏感性。”

“这些信息也可用于疫苗开发，”沃尔兹补充道。 “这个领域的人们现在可以使用我们的结构来查看 HLA 和 T 细胞受体呈现的不同抗原之间相互作用的详细细节。这些不同的相互作用模式可能会对受体的工作方式以及优化它的方法产生影响。”

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