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细胞免疫研究的核心通路——TCR信号通路(下)

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发表于 2022.7.12 09:18:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
上期文章细胞免疫研究的核心通路——T cell receptor signaling pathway(上)中,介绍了TCR信号通路的结构、相关膜表面蛋白及通路主要过程,今天继续分享TCR信号通路的关键调节结点、T细胞发育过程中的TCR信号通路调节、CD28超家族的共刺激/抑制作用。

一、TCR信号通路的关键调节结点

1.1 LCK结点的调节

酪氨酸激酶LCK是TCR通路的一个关键调节结点,LCK的构象以及细胞定位变化将影响TCR信号传导。LCK的活性调节受其两个酪氨酸残基磷酸化的影响:位于催化结构域活化环的Y394位点磷酸化对LCK活性是正调节,而位于羧基末端的Y505位点的磷酸化则对蛋白活性有负调节作用。不同磷酸酶和激酶对着两个位点磷酸化修饰的调节,可以影响LCK的构象和活性(图1)。

(1)Y505位点磷酸化以及非活性/初始构象的转化


酪氨酸激酶GSK对Y505的磷酸化修饰会导致LCK形成分子内自结合(Y505位点与SH2结构域结合),形成折叠构象。这将导致LCK催化结构域被封闭而无非与底物结合。而跨膜蛋白CD45则可以对LCY的Y505位点进行去磷酸化,让LCY恢复开放但低激酶活性的初始构象。

(2)Y394位点磷酸化以及LCK的活化

只有LCK的Y394位点通过自磷酸化或者被FYN磷酸化,LCK才能具有完全的激酶活性。同时,Y394位点又可以被CD45、SHP1、PTPN2等磷酸酶去磷酸化,从而降低激酶活性。CD45也可以对Y505位点去磷酸化,因此CD45同时潜在具有LCK活性的正调节和负调节作用。

(3)活化的LCK被进一步修饰

活化的LCK还可以被进一步修饰,从而改变底物结合特性和激酶活性。其中LCK Y192位点磷酸化可以改变LCK的SH2结构域与某些底物的结合活性,从而改变LCK的靶向偏好,让LCK在不同情况下发挥不同的作用。另外,Y192位点的磷酸化可以抑制了LCK-CD45互作,从而减弱CD45对Y505位点的去磷酸化,促进形成非活性构象的LCK进而导致ZAP70活性下降。

位于LCK氨基末端区域的丝氨酸59位点 (S59)可被ERK磷酸化,从而改变LCK的SH2结构域与多种磷酸酶的结合特异性。在TCR复合物活化后,LCK S59位点可以被钙调神经磷酸酶Calcineurin 去磷酸化。S59的磷酸化可能阻断SHP1向LCK的募集,并且可能对于将LCK偶联到淋巴细胞功能相关抗原(LFA1)介导的细胞粘附所需的下游信号传导具有重要意义。

图1 TCR信号通路两个关键调节结点的调控机制

1.2 ZAP70结点的调节

(1)ZAP70激酶活性的调节

与LCK相似,ZAP70可以形成由关键酪氨酸残基磷酸化介导的分子内结合,从而调节其激酶活性(图1)。ZAP70的Y315和Y319的磷酸化诱导ZAP70从封闭的非活性构象转变为开放的初始构象,并稳定ZAP70与CD3的ITAM的结合。LCK对ZAP70的Y493位点(位于激酶结构域内)的磷酸化激活了ZAP70的激酶活性。LCK还可以磷酸化位于ZAP70 SH2结构域之间的Y126位点,Y126的磷酸化会影响ZAP70与ITAM结合的稳定性,可能对TCR信号的传导有重要作用。ZAP70的激活受磷酸酶(如SHP1,STS1、STS2等抑制因子)的负调控。

(2)ZAP70泛素化调节

泛素化是将小分子泛素与底物蛋白连接起来的过程,由E3泛素连接酶和去泛素化酶控制。ZAP70和其他几个TCR信号效应子的稳定性和区室化受到泛素介导的翻译后修饰的调节。E3泛素蛋白连接酶CBL、CBL- B、RNF128(也称为GRAIL)和 ITCH靶向多个T细胞中的效应蛋白,对调节TCR信号传导和预防自身免疫至关重要。同样,包括CYLD、A20在内的去泛素化酶已被证明是正常TCR信号传导所必需的。

除了常见的泛素化降解作用, ZAP70催化活性也可以通过非降解性多泛素化来调节。相关的例子包括NRDP1和OTUD7B的调节作用。E3泛素蛋白连接酶NRDP1对ZAP70的多泛素化导致磷酸酶STS1(也称为UBASH3B)和STS2(也称为UBASH3A)的招募,它们去磷酸化和降低ZAP70活性。在TCR复合物活化后,去异丙基化酶OTUD7B结合并去异丙基化ZAP70,这一修饰可以阻止STS1和STS2的募集从而促进或延长ZAP70的激活。

二、T细胞发育过程中的TCR信号通路调节

在T细胞发育过程中,TCR信号通路对内源性多肽的敏感度需要随之调节,以适应不同阶段的目标。在胸腺内,未成熟的T细胞中对内源肽-MCH复合物更加敏感,以便机体可以对未成熟的T细胞完成阴性和阳性选择(对内源肽-MHC复合物完全没有应答或者应答太强的未成熟T细胞都将被淘汰)。但成熟的外周T淋巴细胞对内源肽-MCH复合物的敏感度则应该下降,防止不适当的T细胞激活和自身免疫。对内源肽-MHC复合物的敏感度差异,是通过一系列分子的差异性表达实现的。

在未成熟的T细胞中,THEMIS、TESPA1、VGSC、TRAF3IP3、PKD2/3、miRNA miR-181a等分子高表达,可以起到增强TCR信号应答作用(图2左图)。TCR识别内源肽-MHC复合物后,THEMIS、SHP1与GRB2互作,一起被招募至支架蛋白LAT。THEMIS包含一个CABIT串联结构域,这些CABIT抑制SHP1磷酸酶活性。在淋巴细胞中,SHP1的活性也受到PKD2和PKD3的抑制,它们会使SHP1磷酸化。VGSC是未成熟T细胞阳性选择期间维持Ca2+离子流的关键钠离子通道蛋白。

TESPA1是一种结合并激活肌醇1,4,5-三磷酸受体1 (IP3R1)的接头蛋白,从而控制内质网(ER)对Ca2+的释放。TRAF3IP3将激酶MEK招募至高尔基复合体,通过BRAF促进其活化,从而导致ERK活化。miRNA miR-181a可抑制DUSP5、DUSP6、PTPN22的翻译,从而增强TCR信号传导。但在外周成熟T细胞中,以上调控分子表达量下降,而TCR复合物活化信号将诱导磷酸酶PTPN22上调。PTPN22通过使蛋白激酶LCK (Y394位点)和ZAP70 (Y493位点)中的酪氨酸残基去磷酸化来抑制或帮助终止TCR信号传导(图2右图)。

图2 未成熟T细胞(左图)和成熟T细胞(右图)内的TCR通路调差异

三、CD28超家族的共刺激/抑制作用

上文提到,CD28是T细胞活化增殖最常见的“共刺激”信号来源。CD28与配体结合后,其胞内部分将被Src家族激酶磷酸化,进而招募包括PI3K、Grb2、Vav和ITK在内的蛋白。由于这些蛋白也可以被激活的TCR复合物招募,这表明CD28刺激没有激活性质上不同的信号途径,而只是定量地增强了TCR信号传导。CD28家族成员ICOS在功能上与CD28类似,可以增强TCR信号(图3)。

抑制性受体CTLA4也与B7-1和B7-2结合,但亲和力明显高于CD28。在静息T细胞中,几乎所有的CTLA4都通过一种依赖于分选衔接蛋白AP2的机制被隔离在胞内区室,如内体(endosome)中(图3)。TCR刺激诱导CTLA4运输到细胞表面,在那里它可以与其配体结合而被活化。活化的CTLA4将招募PP2A、SHP1、SHP2等磷酸酶,进而抑制TCR信号传导。另外,CTLA4通过与CD28竞争结合两种受体共有的B7配体,也能起到对CD28的抑制作用。

程序性细胞死亡受体PD1是另外一种常见的TCR信号抑制因子,功能类似于CTLA4。然而,它似乎在与CTLA4不同的环境中起作用,因为PD1配体(PD-L)由不同的细胞类型表达,而不是表达B7-1和B7-2的细胞类型。CTLA4在免疫应答的早期阶段调节T细胞增殖,并且主要在淋巴结中起作用;而PD-1被认为具有类似CTLA4的生物学效应,但其作用在外周组织内免疫应答的后期阶段。

图3 CD28超家族成员的调控作用

小结

KEGG通路图只展示了TCR信号通路的主干部分,其结构上并不复杂。考虑T细胞的重要性、其发育过程的复杂性以及细胞亚型的多样性,该信号通路相关的调控则非常复杂而多样。由于细胞治疗、免疫治疗的兴起,TCR信号传导通路成为癌症治疗领域最受关注的通路,而PD1、CTLA4等该信号通路相关的调节基因都已经成为重要的靶向治疗靶点。尽管在过去几年中发现了数量空前的新的TCR调控机制,但很可能还有更多机制有待发现。细胞成像、流式细胞技术和单细胞测序的应用,将继续促进TCR信号反应及其调控机制的研究。

▼参考文献▼
[1]基迪奥生信丛书《单细胞测序完全解析》,第五章“10X单细胞 V(D)J测序”。
[2] 《免疫生物学》,janeway著(中译本)第五版。
[3] Courtney A H, Shvets A A, Lu W, et al. CD45 functions as a signaling gatekeeper in T cells[J]. Science signaling, 2019, 12(604): eaaw8151.
[4] Huse M. The T-cell-receptor signaling network[J]. Journal of cell science, 2009, 122(9): 1269-1273.
[5] Gaud G, Lesourne R, Love P E. Regulatory mechanisms in T cell receptor signalling [J]. Nature Reviews Immunology, 2018, 18(8): 485-497.


本文作者:基迪奥-周老师




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