Nature：西湖大学周强/宿强团队首次揭示T细胞“特种兵”γδ T细胞受体CD3复合物结构

在古希腊神话中，有一位名叫阿斯克勒庇俄斯的医神，手持蛇杖，拥有治愈疾病和伤痛的神力，而在人体内，也有这样的“蛇杖”——T细胞。

T细胞，也被称为T淋巴细胞，是人体免疫系统中的主要细胞之一，在人体中，根据表达的T细胞受体（TCR），T细胞可以分为两类——αβ T细胞和γδ T细胞，分别表达受体αβ TCR 和γδ TCR。

尽管γδ T细胞被发现了很多年，然而，其受体组装模式以及识别抗原的模式至今仍未被充分理解，极大地阻碍了γδ T细胞在肿瘤免疫治疗中的开发和应用。

2024年4月24日，西湖大学生命科学学院周强课题组、施一公课题组助理研究员宿强等在 Nature 期刊发表了题为：Structures of human γδ T cell receptor–CD3 complex 的研究论文。

该研究首次报道了两种经典的γδ TCR–CD3复合物的全长冷冻电镜结构，首次揭示了Vγ依赖的组装模式，为γδ TCR在配体识别和T细胞激活的独特性提供了重要见解。

非典型T细胞——γδ T细胞

人体很多疾病，都源于免疫系统打了败仗或者出了故障。

人体的免疫系统就像是一个强健且机警的战士，它能根据疾病随机应变。T细胞介导的细胞免疫是这个战士锋利的武器，它可抵御入侵的病原体，直接杀死被感染的细胞，激活其他免疫细胞，调控免疫反应，而T细胞受体（TCR）就是帮助战士准确识别外敌的雷达。

在T细胞这个大家族中，也有很多角色，它们在人体免疫系统中各有分工。

其中，αβ T细胞是T细胞的主要组成部分，占T细胞总数的95%以上。如果把αβ T细胞比作T细胞部队里的“主力军”，那么γδ T细胞则是“特种兵”——含量少（在人外周血淋巴细胞中占1%-5%左右）、反应速度快（γδ T细胞作为免疫系统第一道防线，可以快速启动先天性免疫反应）。

1980年代中期，γδ T细胞被发现，与αβ T细胞不同，其受体由TCRγ和TCRδ两条链组成。γδ T细胞被发现已有数十年，尽管含量少，但在细胞免疫中发挥着关键作用，于是，科学家们不断尝试，想要看清这个非典型T细胞的受体究竟长什么样。

γδ T细胞与肿瘤细胞相互作用方式

惊喜的发现——γδ TCR–CD3复合物高分辨率结构

CD3是一种重要的白细胞分化抗原，几乎存在于所有的T细胞表面。两类T细胞受体αβ TCR 和γδ TCR都可以和CD3分子形成TCR–CD3复合物。TCR–CD3复合物的信号机制和受体识别一直是领域内的关键问题。

通过重组表达γδ TCR–CD3的6个组分，研究团队首次拿到了全长的γδ TCR–CD3复合物。看到在分子筛上均一且性质良好的蛋白样品，研究团队意识到，他们正在敲开γδ TCR结构生物学的大门！

经过多次实验，在获得γδ TCR–CD3复合物的高分辨率结构后，研究团队发现了γδ TCR与αβ TCR的显著不同——Vγ5Vδ1 TCR呈现了前所未有的二聚体状态，而Vγ9Vδ2 TCR以单体的状态存在，其胞外域更灵活。

人Vγ9Vδ2 和 Vγ5Vδ1 TCR–CD3复合物的冷冻电镜结构

这一惊喜发现，随后引发了研究团队更多的思考：

Vγ5Vδ1 TCR的二聚体状态是否是体外过表达带来的假象?

生理条件下，若也作为二聚体状态存在，那二聚体状态的意义是什么？

为什么不同V区序列的γδ TCR–CD3复合物以不同的寡聚化状态存在？

Vγ9Vδ2 TCR的胞外区要比αβ TCR更灵活，这对γδ T细胞的激活会有什么影响？

在两种经典的γδ TCR–CD3复合物结构中，发现了一团多余的密度，类似于胆固醇分子，这与αβ TCR–CD3相同，其在γδ T细胞的激活中起什么作用？

带着这些思考，研究团队继续迈进。团队成员全部是结构生物学背景，但为了解答这些重要的科学问题，他们选择了一条充满挑战的道路——自学免疫学实验技术。

从第一批慢病毒转染体系的摸索、第一次阳性细胞的筛选，到第一次流式数据的分析、第一次荧光寿命成像显微镜的使用……他们不断尝试，不断刷新、完善研究成果。

然而，当文章投出后，却在第一轮同行评议时受到了许多质疑：分辨率不够，对照组不够，为领域内带来的生物学见解不够……

怎么办？面对质疑声，研究团队只有一个选择：直面问题，解决问题！

历时3个月，经过无数次的克隆构建、蛋白纯化、数据收集处理、稳转细胞系的构建、T细胞激活实验、流式染色分析、FLIM-FRET实验……最终他们获得了6个高分辨率结构，补齐了这项研究的最后一步。

全新的起点——打开γδ T细胞结构免疫学大门

知其然，知其所以然。研究团队用强有力的证据，回答了最初自己提出的疑问——

Vγ5Vδ1 TCR的二聚体状态是生理条件下存在的。研究团队利用荧光寿命成像显微镜-荧光共振能量转移（FLIM-FRET）证实了细胞膜上Vγ5Vδ1 TCR复合物呈现寡聚状态。

Vγ5Vδ1 TCR的二聚体状态对于其识别配体是必须的。研究团队构建了稳定表达野生型Vγ5Vδ1 TCR（二聚体状态）或者突变体Vγ5Vδ1 TCR（单体状态）的Jurkat细胞系，通过抗原呈提细胞以及抗CD3抗体/抗CD28抗体进行了T细胞激活实验，证明了二聚型的野生型Vγ5Vδ1 TCR对于T细胞激活是必需的。

为什么单体形式的Vγ5Vδ1 TCR无法启动T细胞激活？他们构建了CD1d-α-GalCer四聚体，运用流式细胞术测定了野生型Vγ5Vδ1 TCR（二聚体状态）和突变体Vγ5Vδ1 TCR（单体状态）结合配体能力的异同，推测由于二价和单价结合模式的区别，导致突变体Vγ5Vδ1 TCR不能结合CD1d-α-GalCer四聚体，从而不能介导T细胞激活。

野生型和突变体Vγ5Vδ1 TCR对配体的二价和单价结合模式

来自免疫学领域的审稿人对这项研究工作给予了高度评价：研究团队从结构出发，联用生物化学、免疫学、细胞生物学等多种技术，系统地解析了γδ TCR–CD3复合物的高分辨率结构，揭开了γδ TCR独特性质的面纱。同时，基于结构为免疫学家提供了见解，为γδ TCR更好地应用于细胞免疫治疗添砖加瓦。

γδTCR–CD3复合物可以识别在大小和结构上不同的配体

这也是研究团队打开γδ T细胞结构免疫学大门的新起点。未来，他们将继续行走在探索γδ T细胞的道路上，一起期待发现更美好的风景！

西湖大学生命科学学院特聘研究员周强与西湖大学施一公实验室助理研究员宿强（即将入职深圳医学科学院，担任特聘研究员）为该论文的通讯作者，西湖大学博士生辛维芝和黄邦栋、西湖大学博士后池希敏（现为厦门大学副教授）为论文的共同第一作者，科研助理刘悦华和许梦姣、西湖大学博士生张媛媛参与了研究工作，西湖大学生命科学学院特聘研究员李旭对研究工作也有贡献。山东大学黄启来教授和中国科学院分子细胞卓越创新中心许琛琦研究员提供了细胞系。这项工作得到了国家重点研发计划、科技部重点区域研究与发展计划、国家自然科学基金和杭州市农业与社会发展科学研究项目的支持，以及西湖大学冷冻电镜平台、高性能计算中心、质谱与代谢平台、流式平台、晶体学平台、高通量平台、显微成像平台的技术支持。

周强实验室介绍

周强研究员课题组以细胞内重要膜蛋白的结构与功能为主要研究对象，以单颗粒冷冻电镜技术为主要研究手段，结合生物化学、分子生物学、计算生物学等技术，研究与重大疾病或者重要生物学过程相关的膜蛋白的结构以及工作机制。周强课题组解析了多种重要膜蛋白以及复合体的三维结构，在新冠病毒入侵细胞机制、人源溶质转运蛋白等课题的结构生物学研究方面取得了一系列成果。

周强研究员（zhouqiang@westlake.edu.cn）作为通讯作者在Science、Nature、Cell、Cell Research、Science Advances、Nature Communications、Cell Discovery等杂志上发表20多篇文章。周强团队长期招聘科研助理、博士后、助理研究员等，课题组热忱欢迎各位有志于科研事业的青年学生加盟！

宿强实验室介绍

宿强，特聘研究员、博士生导师，2019年获得清华大学博士学位，后在西湖大学进行博士后研究。2024年5月将正式加入深圳医学科学院，组建结构免疫生物学实验室。宿强课题组主要运用生物化学、免疫学、细胞生物学以及结构生物学等多元化的技术手段，探究重要免疫受体的工作原理。宿强团队将基于免疫受体的工作机制，设计并改良出具有新表型的免疫受体配体，期望能够将这些新型免疫受体配体应用于免疫治疗，以此推动新一代免疫疗法的发展。

宿强研究员（suqiang@smart.org.cn）在Science、Nature等杂志上发表9篇文章。宿强团队长期招聘科研助理、博士后等，期待友好、上进的科研人员加入他的科研团队。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07439-4

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