TCRαβ分子識(shí)別抗原肽-MHC復(fù)合物的爭議問題探討①

沈 晗 邵紅偉 黃樹林 (廣東藥學(xué)院生命科學(xué)與生物制藥學(xué)院，廣州510006)

T細(xì)胞抗原受體(TCR)是T細(xì)胞表面的特征性標(biāo)志分子，其與CD3分子組成的TCR-CD3復(fù)合體，是進(jìn)行抗原識(shí)別，發(fā)揮細(xì)胞免疫重要功能的基礎(chǔ)。一般認(rèn)為，TCR必須識(shí)別抗原肽-MHC分子復(fù)合物才能活化T細(xì)胞，其中CD4+T細(xì)胞識(shí)別MHCⅡ類抗原，CD8+T細(xì)胞識(shí)別MHCⅠ類抗原。TCR分子是由兩條不同肽鏈構(gòu)成的跨膜蛋白，肽鏈的種類有α、β、γ、δ 四種，根據(jù)組合的差異，可分為 TCRαβ+T細(xì)胞和TCRγδ+T細(xì)胞，其中TCRαβ+T細(xì)胞在發(fā)揮特異性細(xì)胞免疫過程中發(fā)揮重要作用。有關(guān)TCRαβ分子識(shí)別抗原肽-MHC分子復(fù)合物的基本分子機(jī)制已形成了經(jīng)典的免疫學(xué)理論，但其中有關(guān)MHC分子限制性、CD4及CD8分子的輔助性以及TCR分子α鏈與β鏈在識(shí)別過程中的地位及作用等問題還存在不少存有爭議的地方，本文將介紹相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并結(jié)合自己的綜合分析，對(duì)TCRαβ分子識(shí)別抗原肽-MHC復(fù)合物過程中的一些爭議問題進(jìn)行探討。

1 TCR分子識(shí)別抗原肽的MHC非限制性機(jī)制

對(duì)于TCR識(shí)別抗原肽的MHC分子限制性問題也有著不同的觀點(diǎn)，在較早期的研究中[1]，已有研究者證實(shí)利用高濃度的抗HLA抗體封閉HLA分子后CTL仍能夠裂解靶細(xì)胞，但由于當(dāng)時(shí)已知的HLA亞型沒有現(xiàn)在全面，所制備的抗體也是有限的，且在這些實(shí)驗(yàn)中都是利用的高E∶T比(效應(yīng)細(xì)胞與靶細(xì)胞比例)的實(shí)驗(yàn)方式，而當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)對(duì)照組也出現(xiàn)了靶細(xì)胞被裂解的現(xiàn)象，所以并不能用此結(jié)果來證明CTL的殺傷過程是非MHC限制性的;后來有研究小組建立了兩個(gè)CTL克隆，其只表達(dá)一種類型的TCRαβ分子，但具有HLA限制與非限制性兩種機(jī)制介導(dǎo)的對(duì)靶細(xì)胞的識(shí)別和殺傷能力[2]。要明確TCRαβ對(duì)抗原的非MHC限制性識(shí)別機(jī)制必須找到TCR分子識(shí)別的抗原表位，但目前有關(guān)這方面的報(bào)道非常有限，有研究證實(shí)，在外周血中確實(shí)存在一些特殊的TCRαβT細(xì)胞，它們的TCR分子可能通過非MHC限制性機(jī)制，識(shí)別一些結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的抗原分子，從而被活化[3]。近年來關(guān)于肽類抗原被TCRαβ非MHC限制性識(shí)別的報(bào)道只發(fā)現(xiàn)了唯一一種抗原表位-粘蛋白 Mucin 1(MUC1)[4，5]，它是表達(dá)在導(dǎo)管上皮細(xì)胞和其來源的各種腫瘤細(xì)胞上的一種跨膜糖蛋白，超過80%的人類癌癥都表達(dá)MUC1分子[6]，研究發(fā)現(xiàn)TCR與MUC1結(jié)合的抗原表位是由20個(gè)氨基酸進(jìn)行超過100個(gè)串聯(lián)重復(fù)而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)排列有序且十分牢固，與TCR具有很高的親和力[7];TCRαβ對(duì)其的特異性識(shí)別不需要MHC分子的參與，但T細(xì)胞上的其他共刺激分子在識(shí)別中發(fā)揮重要作用，其中 ICAM-1、LFA-1、LFA-3和 CD2分子與MUC1抗原表位的相互作用是CTL完全活化的必需條件，而CD8分子在此過程中也發(fā)揮一定作用。如果 CTL只依靠 TCRαβ識(shí)別 MUC1抗原肽，只能部分活化 CTL，微觀上只表現(xiàn)出短暫的Ca2+內(nèi)流，而沒有ZAP-70等關(guān)鍵活化信號(hào)通路分子的磷酸化出現(xiàn)，CTL也不出現(xiàn)增殖反應(yīng);如果有了上述黏附分子的參與，則可以介導(dǎo)CTL的完全活化，整個(gè)過程與MHC限制性抗原肽激活CTL的情況沒有明顯區(qū)別[8]。TCR對(duì)其他非肽類抗原表現(xiàn)出的非MHC限制性識(shí)別的報(bào)道比較多見，包括細(xì)菌包膜脂類、糖蛋白上的糖鏈部分等[9，10]，相比較而言，非MHC限制性的肽類抗原發(fā)現(xiàn)得實(shí)在太少。通過以上的研究報(bào)道我們推斷，肽類抗原的非MHC限制性識(shí)別并不是抗原識(shí)別的普遍現(xiàn)象，可能只是作為經(jīng)典的MHC限制性識(shí)別理論的一種補(bǔ)充，且主要發(fā)生在那些結(jié)構(gòu)(抗原表位)極為復(fù)雜的蛋白質(zhì)上，同時(shí)這種識(shí)別雖不需要MHC限制性，但單純的依靠TCRαβ分子與這些抗原表位的相互作用也不能徹底完成對(duì)T細(xì)胞的活化，還需要其他相關(guān)黏附分子的參與[8]。近年來，也發(fā)表了一些關(guān)于T細(xì)胞非MHC限制性識(shí)別的研究報(bào)道，Somasundaram等人[11]研究發(fā)現(xiàn)，從原發(fā)性黑色素瘤病人的外周血淋巴細(xì)胞中建立了一株CD8+CTL克隆，表現(xiàn)為對(duì)所有HLA亞型(包括Ⅰ類和Ⅱ類)的黑色素瘤細(xì)胞都有識(shí)別殺傷活性，因此，CTL克隆對(duì)黑色素瘤的抗原識(shí)別是非HLA限制性的，而研究顯示其對(duì)其他腫瘤細(xì)胞無殺傷活性，由于黑色素瘤細(xì)胞并不表達(dá)MUC1抗原肽，所以可能存在著其他黑色素瘤相關(guān)抗原介導(dǎo)了這種非MHC限制性的抗原識(shí)別反應(yīng)的發(fā)生。在最近的一項(xiàng)報(bào)道中，研究者建立了一株CD4+T細(xì)胞克隆，它能夠以非MHC限制性方式識(shí)別并裂解自體與異體的人腎癌細(xì)胞，進(jìn)一步分析其TCR分子配體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)配體中并不包含MHC分子配基結(jié)構(gòu)[12，13]。由此可見，我們對(duì)于經(jīng)典的MHC限制性識(shí)別過程的認(rèn)識(shí)仍然有待更加深入的研究。

2 CD4與CD8分子在MHC限制性TCR識(shí)別抗原肽中的作用

TCR對(duì)抗原肽的MHC限制性識(shí)別既涉及到MHC分子對(duì)抗原肽的呈遞，又需要TCR識(shí)別抗原肽的輔助受體CD4和CD8分子的參與，經(jīng)典免疫學(xué)理論認(rèn)為，CD4分子與MHCⅡ類分子結(jié)合，CD8分子與MHCⅠ類分子結(jié)合，起到增加TCR與抗原肽-MHC復(fù)合物相互作用的敏感性和牢固性，促進(jìn)T細(xì)胞活化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用[14，15]。但近年來的一些研究對(duì)CD4、CD8分子與MHC分子結(jié)合的必需性和限制性(即CD4必須與MHCⅡ類分子結(jié)合，CD8分子必須與MHCⅠ類分子結(jié)合)提出了新的認(rèn)識(shí)。有研究發(fā)現(xiàn)，CD4分子實(shí)際上與MHCⅡ類分子的親和力非常低下，對(duì)提高TCR分子與抗原肽-MHC復(fù)合物結(jié)合穩(wěn)定性并沒有幫助[16，17]。而CD8分子在大多數(shù)MHCⅠ類分子限制性T細(xì)胞識(shí)別抗原肽的過程中都是必需的，這些T細(xì)胞所表達(dá)的TCR一般屬于抗原肽低親和力TCR，CD8分子能夠提高TCR分子與抗原肽-MHC復(fù)合物的親和力;而在一些表達(dá)抗原肽高親和力TCR的T細(xì)胞，其對(duì)特定抗原肽的識(shí)別和殺傷對(duì)CD8分子的表達(dá)不是必需的，這種TCR分子在結(jié)構(gòu)上與特定抗原表位具有很高的契合性，能充分結(jié)合抗原肽/MHCⅠ類分子復(fù)合物，這樣不需要CD8輔助受體的參與，就能為T細(xì)胞的完全活化提供必需的信號(hào)[18，19]。由于目前發(fā)現(xiàn)MHCⅠ類腫瘤相關(guān)抗原肽的種類較多，Ⅱ類抗原肽較少，因此，有人用識(shí)別特異性MHCⅠ類抗原肽的高親和力TCR分子修飾CD4+T細(xì)胞，使其表達(dá)這種TCR，經(jīng)過改造后的CD4+T細(xì)胞能夠特異性地識(shí)別抗原呈遞細(xì)胞呈遞的此種MHCⅠ類抗原肽(但不能直接識(shí)別腫瘤細(xì)胞表面的抗原肽)，能夠被完全活化，分泌相應(yīng)細(xì)胞因子并克隆增殖[20]?？梢钥闯?，如果TCR分子與特異性抗原肽-MHC復(fù)合物的結(jié)合能力很強(qiáng)，那么T細(xì)胞對(duì)該抗原肽的識(shí)別和隨后自身的活化是不依賴CD8分子的，所表達(dá)的這種高親和力特異性TCR分子是識(shí)別過程的關(guān)鍵所在。最新的研究結(jié)果顯示，CD4與CD8分子的主要功能是對(duì)T細(xì)胞膜內(nèi)酪氨酸激酶Lck的募集，進(jìn)而促進(jìn)其與TCR/CD3復(fù)合物的作用，將活化信號(hào)傳入T細(xì)胞內(nèi)，與CD4、CD8分子是否促進(jìn)TCR-抗原肽MHC復(fù)合物親和力沒有關(guān)系[21，22]。值得注意的一點(diǎn)是，如果TCR分子與其特定識(shí)別的抗原/MHC復(fù)合物的親和力過高，當(dāng)T細(xì)胞遇到該種抗原時(shí)導(dǎo)致活化誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡(AICD)發(fā)生[23]。同時(shí)有研究證實(shí)，TCR與抗原/MHC復(fù)合物的親和力高低并不與T細(xì)胞后續(xù)的活化程度成正比，而T細(xì)胞的高活性也并非絕對(duì)的需要T細(xì)胞對(duì)抗原的高效識(shí)別[19]，但也有其他一些研究的觀點(diǎn)與此相反[24]。出現(xiàn)這些矛盾結(jié)果的原因可能是由于不同研究者所選取的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺椒ǖ牟町愒斐傻?，不過有一點(diǎn)是我們可以肯定，即TCR與其特異性識(shí)別的抗原/MHC復(fù)合物之間的親和力高低影響著后續(xù)T細(xì)胞的反應(yīng)，在正常情況下，二者是相互協(xié)調(diào)的關(guān)系，能保證T細(xì)胞發(fā)揮正常的免疫功能，但如果出現(xiàn)特殊情況(例如腫瘤、自身免疫病等)，T細(xì)胞識(shí)別抗原能力的變化則可能導(dǎo)致T細(xì)胞的免疫功能失調(diào)。

3 TCR分子α鏈與β鏈在識(shí)別抗原肽-MHC復(fù)合物中的功能及地位

我們知道TCR分子由一條α鏈和一條β鏈組裝而成，那么在識(shí)別過程中是α鏈和β鏈的哪些具體部位發(fā)揮識(shí)別作用，二者在抗原識(shí)別中的地位是否同等重要等問題都需要我們深入理解。TCRα鏈和β鏈都由可變區(qū)(V區(qū))和恒定區(qū)(C區(qū))兩部分組成，V區(qū)又可分為CDR1、CDR2、CDR3和HV4四區(qū)，其中的CDR3區(qū)被認(rèn)為是識(shí)別抗原肽-MHC復(fù)合物的關(guān)鍵部位，由于CDR3區(qū)是由V、(D)、J片段的重排連接后的基因片段編碼而成，連接處可隨機(jī)插入或丟失數(shù)個(gè)核苷酸，使最終翻譯得到的CDR3區(qū)高度變化，因此要得到兩個(gè)氨基酸序列完全相同的CDR3區(qū)幾乎不太可能[25]。有研究發(fā)現(xiàn)，在抗原識(shí)別過程中，TCR分子V區(qū)中的CDR1和CDR2區(qū)與MHC分子的識(shí)別密切相關(guān)，而HV4區(qū)在超抗原與TCRVβ鏈的結(jié)合時(shí)發(fā)揮重要作用，但真正起到對(duì)抗原肽特異性識(shí)別作用的主要還是CDR3區(qū)[26]。有人建立了TCRα鏈和β鏈轉(zhuǎn)基因小鼠模型[27]，利用不同的抗原肽免疫小鼠后，發(fā)現(xiàn)TCR分子氨基酸序列的改變主要發(fā)生在Vα和Vβ鏈的CDR3區(qū)，利用X射線晶體衍射技術(shù)及核磁共振技術(shù)對(duì)TCR與抗原肽-MHC復(fù)合物的結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)TCR的CDR3環(huán)狀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位點(diǎn)直接與抗原肽特定表位的氨基酸殘基結(jié)合，而MHC分子的保守氨基酸殘基與TCR分子的V區(qū)廣泛結(jié)合，所以，就是通過特定蛋白質(zhì)殘基之間的非共價(jià)結(jié)合作用保證了TCR對(duì)抗原肽-MHC復(fù)合物的充分識(shí)別[28]。

由于TCRVαβ是由Vα和Vβ鏈共同構(gòu)成了抗原肽-MHC復(fù)合物的識(shí)別位點(diǎn)，那么Vα和Vβ這兩條鏈在識(shí)別過程中發(fā)揮作用的地位是否完全等同呢?利用單鏈TCR轉(zhuǎn)基因小鼠實(shí)驗(yàn)，研究者對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了較深入研究。有研究者報(bào)道，TCR的Vα和Vβ鏈在抗原識(shí)別過程中發(fā)揮的作用同等重要[29];但也有更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在抗原識(shí)別過程中，TCRVα鏈起著決定性的作用。有人利用同一TCRVα鏈與不同的TCRVβ鏈進(jìn)行配對(duì)，建立表達(dá)這種雜合狀態(tài)TCR分子的轉(zhuǎn)基因小鼠和T細(xì)胞克隆，進(jìn)行特異性抗原的識(shí)別實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雖然TCRVβ鏈的組成各異，但只要具有相同的TCRVα鏈，這種基因改造的T細(xì)胞表現(xiàn)出針對(duì)同一種抗原的特異性[30，31]。利用X射線晶體衍射技術(shù)觀察分子間相互作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，TCRVα的氨基酸位點(diǎn)在抗原肽識(shí)別中起關(guān)鍵性作用，因?yàn)門CRVα的CDR3區(qū)插入到抗原肽-MHC復(fù)合物中的空間面積比CDR3β更大，具體分析TCR分子與抗原肽相接觸的位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，在總共27個(gè)接觸點(diǎn)中有23個(gè)位于Vα鏈而只有4個(gè)涉及到Vβ鏈，除此之外，TCR分子與抗原肽-MHC復(fù)合物結(jié)合的支點(diǎn)和轉(zhuǎn)向角會(huì)調(diào)節(jié)CDR3α區(qū)與抗原肽的接觸位點(diǎn)[30，34]。在針對(duì) HIV-P18 抗原肽的TCR識(shí)別實(shí)驗(yàn)中，證實(shí)TCRVα鏈表現(xiàn)出Vα42H1-Jα25基因的表達(dá)特異性，而與之配對(duì)的TCRVβ鏈則表現(xiàn)為基因重排后的多樣性(即表現(xiàn)為各種不同的TCRVβ基因家族)[32];利用黑色素瘤相關(guān)抗原Melan-A誘導(dǎo)出特異性識(shí)別該抗原的多個(gè)T細(xì)胞克隆，然后利用測序技術(shù)檢測這些T細(xì)胞克隆編碼TCRVα和Vβ鏈基因的序列，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)TCRVα基因表現(xiàn)出Vα2.1+表型，而TCRVβ基因則表現(xiàn)出明顯的多樣性[33];而有研究者利用黑色素瘤分化抗原TRP-2的基因疫苗免疫動(dòng)物，也發(fā)現(xiàn)了TCRVα5基因的優(yōu)勢(shì)表達(dá)[34]。最近的一項(xiàng)研究證實(shí)[35]，TCR CDR3α區(qū)氨基酸序列的特異性決定著肽與TCR分子結(jié)合的特異性，而CDR3β區(qū)只是與肽存在接觸關(guān)系，與肽識(shí)別的過程只與其長度的多少有關(guān)，不涉及其氨基酸序列。從以上這些報(bào)道中可以明顯地發(fā)現(xiàn)，TCRVα鏈在抗原肽-MHC復(fù)合物特異性識(shí)別過程中發(fā)揮了決定性的作用，決定了TCR對(duì)抗原肽識(shí)別的特異性這一關(guān)鍵問題，為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢?我們可以從TCR分子的發(fā)育過程找到一些可能的解釋，在生理狀態(tài)下，T細(xì)胞的發(fā)育過程中首先進(jìn)行的是TCRβ鏈的重排，然后具有完整β鏈的嵌合T細(xì)胞再進(jìn)行α鏈的重排，這樣最終生成的具有完整TCRαβ鏈的T細(xì)胞中，如果具有相同的β鏈(其概率也是比較低的)，要使他們的α鏈也相同的概率就更低了，因?yàn)棣伶湹闹嘏艜r(shí)間在后，同一條β鏈(其概率也很小)可能與多條α鏈搭配，而同一條α鏈幾乎不可能與超過一條的β鏈相搭配，所以我們可以推斷，TCR分子對(duì)抗原肽識(shí)別的多樣性和特異性更多地體現(xiàn)在α鏈上[31]。當(dāng)然，TCR分子既然由α和β兩條鏈構(gòu)成，在抗原識(shí)別過程中，β鏈的作用也是不容忽視的，有些研究也發(fā)現(xiàn)，抗原刺激后也會(huì)出現(xiàn)一些TCRVβ基因的優(yōu)勢(shì)表達(dá);不同的Vβ鏈與同一Vα鏈組合后對(duì)抗原的結(jié)合能力存在差異，有些類型的Vβ鏈與Vα鏈組合后能表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗原識(shí)別作用，更利于活化T細(xì)胞;β鏈的多樣性在TCR分子組裝與識(shí)別功能中有重要作用[36]。同時(shí)，我們也應(yīng)注意到，參與TCR識(shí)別抗原肽-MHC復(fù)合物過程中的其他輔助分子對(duì)整個(gè)識(shí)別活化過程的成功也是必不可少的[37]。

4 結(jié)語

以上雖就有關(guān)TCR分子特異性識(shí)別某種抗原肽-MHC復(fù)合物過程中存在爭議的部分問題做了分析和論述，但我們可以看到整個(gè)識(shí)別過程實(shí)際上是十分復(fù)雜多變的，各分子在識(shí)別過程中的地位可能在T細(xì)胞識(shí)別不同抗原時(shí)發(fā)生顯著的變化，因此在很多情況下不能單單依靠簡單的體外實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行確證，可能還需要設(shè)計(jì)更加合理的實(shí)驗(yàn)盡可能地模擬生物體內(nèi)環(huán)境中T細(xì)胞識(shí)別抗原的真實(shí)過程，只有這樣才可能系統(tǒng)、全面、切實(shí)地揭開TCR對(duì)抗原肽-MHC復(fù)合物的識(shí)別機(jī)理。

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