2月19日，國際學(xué)術(shù)期刊Cell在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）趙祥研究組的最新成果“Tuning the sensitivity of mechanosensory receptors through histidine scanning”。該研究建立了一種基于組氨酸掃描的工程化改造策略，可顯著增強(qiáng)T細(xì)胞受體（TCR）等力感應(yīng)受體的活化效能。該工作不僅為理解力感應(yīng)受體活化的機(jī)制奠定了基礎(chǔ)，也為相關(guān)疾病的免疫治療提供了新思路。

在腫瘤免疫治療中，T細(xì)胞發(fā)揮著核心作用。T細(xì)胞可通過其表面的TCR分子，特異性識(shí)別腫瘤細(xì)胞表面的腫瘤抗原肽-MHC復(fù)合物（pMHC），進(jìn)而啟動(dòng)免疫應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤靶細(xì)胞的特異性殺傷。在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中，腫瘤細(xì)胞可能出現(xiàn)抗原突變、抗原表達(dá)下調(diào)或缺失等情況。如果T細(xì)胞無法有效地識(shí)別，便會(huì)導(dǎo)致腫瘤逃逸。因此，通過工程化手段提升TCR的抗原識(shí)別敏感度，是豐富TCR候選庫、增強(qiáng)TCR-T細(xì)胞療法效能的重要研究方向。

近年來的研究表明，T細(xì)胞的活化水平與TCR和pMHC之間的親和力并無相關(guān)性，而是主要取決于二者在受力條件下的逆鎖鍵（catch bond）水平。逆鎖鍵是一種由氫鍵、鹽橋等介導(dǎo)的非共價(jià)相互作用，其特征是在適當(dāng)?shù)臋C(jī)械力作用下，受體與配體能夠獲得更加持久的作用時(shí)長。趙祥研究員團(tuán)隊(duì)前期依托逆鎖鍵作用原理，結(jié)合TCR-pMHC的三維結(jié)構(gòu)信息，針對(duì)特定空間距離的氨基酸殘基開展文庫設(shè)計(jì)以富集逆鎖鍵，成功獲得了低親和力、高活化水平的TCR變體，同時(shí)有效規(guī)避了臨床應(yīng)用中的脫靶毒性風(fēng)險(xiǎn)。該策略依賴高分辨率結(jié)構(gòu)信息，而多數(shù)天然TCR-pMHC復(fù)合物的親和力水平較低、結(jié)構(gòu)解析困難，使其應(yīng)用范圍受到了一定的限制。

為了克服這一技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了組氨酸掃描（histidine scanning）改造方法。團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了前期研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)組氨酸在逆鎖鍵改造成功的案例中出現(xiàn)頻率最高、貢獻(xiàn)最為突出；同時(shí)，組氨酸的側(cè)鏈基團(tuán)具有豐富的化學(xué)性質(zhì)，可充分激發(fā)受體與配體的逆鎖鍵相互作用?；谶@一認(rèn)識(shí)，研究團(tuán)隊(duì)將TCR互補(bǔ)決定區(qū)（CDR區(qū)）中的氨基酸殘基逐一替換為組氨酸，篩選活化水平提高的組氨酸突變體。該方法無需借助TCR-pMHC的三維結(jié)構(gòu)，僅僅依靠TCR的氨基酸序列，即可快速定位其中的改造熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效改造。

為驗(yàn)證該方法的通用性和有效性，研究團(tuán)隊(duì)選取了十余種針對(duì)病毒抗原、公共新抗原、癌睪抗原、過表達(dá)抗原及分化抗原的人源和鼠源TCR，系統(tǒng)開展了組氨酸掃描改造實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，每種TCR中均能發(fā)現(xiàn)近10個(gè)激活水平顯著提高的改造熱點(diǎn)，充分證明組氨酸掃描法是一種適用于多類型TCR的通用逆鎖鍵改造策略。

在機(jī)制層面，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了組氨酸增強(qiáng)逆鎖鍵的分子基礎(chǔ)。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬和單分子光鑷實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)組氨酸優(yōu)勢突變體在受力條件下可與配體形成數(shù)量更多、壽命更長的逆鎖鍵。從胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)角度看，逆鎖鍵水平的提升促進(jìn)了下游激酶的募集與磷酸化事件，從而放大了T細(xì)胞的活化信號(hào)。

為了驗(yàn)證該方法的安全性，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)比較了野生型TCR和組氨酸突變體的抗原結(jié)合模式，并結(jié)合生物信息學(xué)方法預(yù)測潛在的交叉反應(yīng)多肽。驗(yàn)證結(jié)果排除了組氨酸突變體在該范圍內(nèi)的脫靶毒性，表明組氨酸掃描法能夠在增強(qiáng)TCR活化能力的同時(shí)，維持TCR的抗原特異性。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)圍繞前期鑒定的改造熱點(diǎn)，構(gòu)建了由極性、帶電荷氨基酸組成的突變文庫。通過多輪流式細(xì)胞分選，獲得了一系列親和力較低、但激活水平更高的TCR變體。

體外功能實(shí)驗(yàn)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)改造后的TCR-T細(xì)胞在黑色素瘤、血液瘤、腸癌和骨肉瘤等多種動(dòng)物模型中，均表現(xiàn)出更強(qiáng)的腫瘤識(shí)別與清除能力，充分驗(yàn)證了該方法潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。

值得注意的是，組氨酸掃描法的應(yīng)用價(jià)值并不局限于TCR。研究發(fā)現(xiàn)，該方法在DLL4-Notch、Fc-FcγR等多種力感應(yīng)配體-受體中均表現(xiàn)出良好的改造效果。通過增強(qiáng)受體-配體相互作用中的逆鎖鍵水平，有效提高了這些力感應(yīng)受體的敏感性。上述結(jié)果不僅為干細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)等研究領(lǐng)域提供了新的技術(shù)工具，也為抗體藥物研發(fā)開辟了新的思路。

綜上，該研究成功開發(fā)了一種安全、高效、通用的力感應(yīng)受體工程改造方法，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)依賴三維結(jié)構(gòu)、適用范圍有限的痛點(diǎn)，為TCR-T細(xì)胞療法的優(yōu)化升級(jí)提供了重要技術(shù)支撐，也為腫瘤免疫治療、干細(xì)胞研究及抗體制藥等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展注入了新動(dòng)力。

分子細(xì)胞卓越中心趙祥研究員、美國奧古斯塔大學(xué)佐治亞州免疫學(xué)中心Nicholas Gascoigne教授、分子細(xì)胞卓越中心許琛琦研究員、上?？萍即髮W(xué)生命學(xué)院孫博教授、遼寧師范大學(xué)化學(xué)與生物學(xué)交叉研究中心李國輝教授、中山大學(xué)腫瘤防治中心周鵬輝教授、美國東北大學(xué)馮寅年教授、新加坡國立大學(xué)吳凌博士為該論文共同通訊作者。分子細(xì)胞卓越中心研究生王元昊、王俁涵、袁文杰、范鳴宇、博士后王曉靜、遼寧師范大學(xué)化學(xué)與生物學(xué)交叉研究中心王安輝教授、上?？萍即髮W(xué)生命學(xué)院博士生鮑彥伶、中山大學(xué)腫瘤防治中心博士后張亞靜、新加坡國立大學(xué)Jia Chi Tan博士為該論文共同第一作者。該工作得到分子細(xì)胞卓越中心王廣川研究員、楊巍維研究員，分子細(xì)胞卓越中心動(dòng)物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)、細(xì)胞分析技術(shù)平臺(tái)和化學(xué)生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)等大力支持。該工作獲國家自然科學(xué)基金委員會(huì)原創(chuàng)探索專項(xiàng)項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海感染與免疫科技創(chuàng)新中心專項(xiàng)項(xiàng)目、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)浦江人才項(xiàng)目等資助。

文章鏈接：https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)01499-0

組氨酸掃描法對(duì)力感應(yīng)受體的高質(zhì)量賦能