Nature：破解30年难题！揭示γδ T细胞免疫识别奥秘

在癌症和感染中，病变细胞通过“由内到外”的信号传导过程呈现给人类Vγ9Vδ2 T细胞，在这个过程中，结构多样的磷酸抗原(pAg)分子被细胞内亲丁酸蛋白BTN3A1的结构域感知。

2023年9月6日，清华大学张永辉及湖北大学郭瑞庭共同通讯在Nature 在线发表题为”Phosphoantigens glue butyrophilin 3A1 and 2A1 to activate Vγ9Vδ2 T cells“的研究论文，该研究展示了在人类和羊驼中，多个pAgs如何作为“分子胶”发挥作用，促进BTN3A1细胞内结构域与结构相似的亲丁酸蛋白BTN2A1之间的异聚结合。X射线晶体学研究表明，BTN3A1与pAg的结合形成了与BTN2A1直接结合的复合界面，各种pAg分子分别位于界面的中心，并以不同的亲和力粘合亲丁酸蛋白。

结构见解指导了诱变实验，导致细胞内BTN3A1-BTN2A1关联的破坏，消除了pAg介导的Vγ9Vδ2 T细胞活化。利用基于结构的分子动力学模拟、19F-NMR研究、嵌合受体工程和细胞间结合力的直接测量进行分析，揭示了pAg介导的BTN2A1关联如何以热力学有利的方式驱动BTN3A1细胞内波动，从而使BTN3A1从BTN2A1外畴推出，启动T细胞受体介导的γδ T细胞活化。实际上，该研究利用分子胶模型设计免疫疗法，展示了开发人类γδ T细胞功能的小分子激活剂和抑制剂的化学原理。 

T细胞分为αβ T细胞和γδ T细胞两大家族，由它们的T细胞受体(TCRs)来定义。在过去的40年里，关于αβ T细胞如何识别它们的抗原的知识已经大大扩展。αβ T细胞识别抗原的共同特征是所有抗原结合在主要组织相容性复合体(MHC)(或MHC样)抗原呈递分子的细胞外区域形成的凹槽中，从而能够与αβ TCR直接相互作用。与αβ T细胞相比，γδ T细胞识别抗原的分子基础尚不清楚。Vγ9Vδ2 T细胞-人类循环γδ T细胞的主要亚型-以MHC不依赖的方式对多种癌症和传染病作出反应，它们被称为pAgs的小的非肽二磷酸代谢物特异性激活。

20世纪90年代的研究表明，类异戊二烯的普遍前体，二磷酸异戊烯基(IPP)和二磷酸二甲基烯基(DMAPP)可以弱激活Vγ9Vδ2 T细胞，这些小分子已知在肿瘤发生过程中在细胞内积聚。后来的研究发现了DMAPP的羟基类似物，(E)-1-羟基-2-甲基-但2-烯基4-二磷酸(HMBPP)，作为一种很强的生物来源的pAg，在皮摩尔范围内具有Vγ9Vδ2 T细胞活化的最大有效浓度(EC50)的一半。HMBPP被认为是一种外源性pAg，由一系列病原体通过甲基赤藓糖醇4-磷酸途径产生。

靶细胞中pAgs的感知需要一种具有胞内和胞外结构域的表面蛋白BTN3A。虽然pAgs结合位点最初与细胞外结构域相连，但这一观点后来被修正，现在有晶体学证据表明HMBPP与BTN3A1的细胞内B30.2结构域结合。这种细胞内结合触发细胞外构象变化，使靶细胞能够被γδ T细胞识别，这一过程被称为内向外信号传导。单独的BTN3A1单体不太可能触发pAgs诱导的细胞外构象变化。也有人提出，BTN3A1二聚体或具有一个(或多个)辅助蛋白的复合物负责将细胞内pAgs识别事件翻译为细胞外变化以激活γδ T细胞。这些发现影响了鉴定参与传递pAg传感信号的辅助蛋白的工作。

在此期间，BTN2A1被证明是一个直接的Vγ9 TCR配体，这与早期报道BTNL3-BTNL8异源二聚体响应Vγ4 TCR以及BTNL3 IgV结构域直接与Vγ4TCR相互作用的报道相一致。后来，多个pAg可以促进BTN3A1和BTN2A1细胞内结构域之间的联系，另一项研究描述了所谓的HMBPP受体复合物，包括结合的pAg配体和BTN2A1和BTN3A1细胞内结构域。因此，BTN3A1和BTN2A1显然都发挥着pAg传感器和TCR配体的双重功能，尽管细胞内外事件的结构基础尚未阐明，特异性pAg在γδ T细胞活化过程中的离散影响仍不清楚。

该研究展示了在人类和羊驼中，多个pAgs如何作为“分子胶”发挥作用，促进BTN3A1细胞内结构域与结构相似的亲丁酸蛋白BTN2A1之间的异聚结合。X射线晶体学研究表明，BTN3A1与pAg的结合形成了与BTN2A1直接结合的复合界面，各种pAg分子分别位于界面的中心，并以不同的亲和力粘合亲丁酸蛋白。

结构见解指导了诱变实验，导致细胞内BTN3A1-BTN2A1关联的破坏，消除了pAg介导的Vγ9Vδ2 T细胞活化。利用基于结构的分子动力学模拟、19F-NMR研究、嵌合受体工程和细胞间结合力的直接测量进行分析，揭示了pAg介导的BTN2A1关联如何以热力学有利的方式驱动BTN3A1细胞内波动，从而使BTN3A1从BTN2A1外畴推出，启动T细胞受体介导的γδ T细胞活化。实际上，该研究利用分子胶模型设计免疫疗法，展示了开发人类γδ T细胞功能的小分子激活剂和抑制剂的化学原理。

清华大学药学院袁琳洁博士为论文第一作者，马先强博士及湖北大学杨云云副教授为共同第一作者。张永辉教授为论文通讯作者，湖北大学郭瑞庭教授为共同通讯作者。研究得到了北京自然科学基金委、国家自然科学基金委、科技部、湖北洪山实验室等项目的支持。

原始出处：

Yuan L, Ma X, Yang Y, Qu Y, Li X, Zhu X, Ma W, Duan J, Xue J, Yang H, Huang JW, Yi S, Zhang M, Cai N, Zhang L, Ding Q, Lai K, Liu C, Zhang L, Liu X, Yao Y, Zhou S, Li X, Shen P, Chang Q, Malwal SR, He Y, Li W, Chen C, Chen CC, Oldfield E, Guo RT, Zhang Y. Phosphoantigens glue butyrophilin 3A1 and 2A1 to activate Vγ9Vδ2 T cells. Nature. 2023 Sep 6. doi: 10.1038/s41586-023-06525-3