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陈伟课题组《EMBO JOURNAL》发文揭示生物机械力赋予免疫激活型受体NKG2D配体识别能力并阐明其调控机制

编辑:林海燕 来源:基础医学系 时间:2021年12月21日 访问次数:396  源地址

人体内的白细胞(如T细胞和自然杀伤(NK)细胞等),就像体内的“警察”,时刻在身体内各个角落巡逻,寻找并清除受到病毒感染的和癌变的细胞,保卫生命健康。受病毒感染或癌变的细胞,就像体内的“匪徒”,引发疾病,并损伤我们身体,威胁我们的健康甚至生命。那么我们体内的“警察”如何精准识别、抓捕并消灭这些“匪徒”呢?

“警察”们拥有高灵敏度的“秘密探测器”,也就是免疫细胞上的各种灵敏探头——“膜受体”。“匪徒”在疾病早期经常躲藏在人群中,和正常细胞长得很像,很难区分。不过,“匪徒”身上往往有一些独特的标记,但是很难被发现。“警察”就利用这些他们独有的灵敏探测器,侦查“匪徒”,并准确区分“好人”和“匪徒”。 

这个“秘密探测器”是如何工作的呢?今天我们就来通过解读一个重要的“秘密武器”的工作原理来回答这个问题吧。 

12月16日,浙江大学基础医学院陈伟课题组联合生仪学院尹巍巍课题组和中科院生物物理研究所娄继忠团队在国际专业学术期刊《EMBO JOURNAL》上发表了题为NKG2D discriminates diverse ligands through selectively mechano-regulated ligand conformational changes的研究论文。 

该文章采用生物力学、生物化学、生物物理、系统生物学建模等多学科研究手段,从原子水平到分子、细胞水平跨尺度揭示了生物机械力赋予免疫细胞表面激活型受体NKG2D(重要的具有“秘密探测器”)识别不同配体(“匪徒”身上的独特标记)的能力,并阐明了力学-化学耦合调控的分子机制。这项研究为未来深入研究其他重要免疫膜受体的受体识别与激活机制及其后续的免疫治疗相关的研究提供了新的思路和方向。

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NKG2D是T、NK等淋巴细胞表面表达的重要激活型受体,也就是我们要解读的“秘密武器”,它能够结合众多配体触发NK细胞的抗肿瘤和抗病毒的免疫应答。已知人源NKG2D有八种配体:MICA/B和ULBP1-6,它们能够引起NKG2D不同的功能(图1)(Lanier, 2015)。例如,激活不同的NKG2D下游磷酸化信号、NK细胞IFN-γ表达、膜受体空间重新排布等。

 

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图1.NK/T细胞表面的NKG2D受体和靶细胞表面的配体

然而,这些配体功能的差异意味着NKG2D可能在一定程度上拥有与T细胞受体(TCR)等类似的配体识别能力,但却一直被领域所忽视。究其原因,主要因为领域里长期以来所接受的配体与NKG2D互作的亲合力数据(主要由如SPR,表面等离子共振等获得)非常接近(McFarland & Strong, 2003),而且复合体的晶体结构接触面也类似(Radaev et al, 2001),导致领域内一直普遍认为NKG2D不具备特异性识别不同配体的能力。

为什么主流分子互作检测技术(SPR,ITC等)无法准确反应NKG2D与不同配体互作亲和力的差异呢?究其原因,这一类技术在研究膜受配体互作时,往往在溶液环境中测量,脱离了细胞膜这个重要的物理-化学微环境,与生理情况下受体-配体的相互作用完全不同。在生理情况下,膜受体及其配体往往是锚定在细胞膜上的,并且受到免疫细胞的运动和细胞骨架的动态重塑的影响,因此受配体膜原位的相互作用受到细胞膜物理微环境和生物机械力的复合作用,进而影响受配体结合的稳定性及受体的跨膜信号转导能力。 

该项研究首次在活体NK细胞表面检测了NKG2D与不同配体结合的原位亲和力。发现了当受配体都锚定细胞膜上时,NKG2D受体与不同配体相互作用的原位亲和力差别可达20倍,远高于SPR检出的不到2倍的细小差别,表明了膜环境所提供的的二维受限物理空间极大增强了NKG2D对配体的识别能力。而在施加生物机械拉力之后,NKG2D与多种配体的力依赖亲和力的差别可进一步扩大到160倍,揭示了生物机械力可以进一步增强NKG2D对不同配体的识别能力。

结合分子动力学模拟(Molecular Dynamics, MD),研究者们进一步发现了生物拉力可特异性诱导配体构象变化,选择性延长NKG2D与MICA和MICB的键合时长,而非与ULBPs的键合时长,揭示了生物拉力增强NKG2D配体识别能力的力学-化学耦合调控机制。NKG2D配体诱导的NK细胞功能实验也进一步验证了细胞表面测得的NKG2D-配体力依赖亲和力与功能是一致的。

文章最后结合系统生物学理论,提出了全新的膜受体识别与激活的分子互作动力学的校对模型,即细胞膜原位的受配体力依赖的亲和力决定了NKG2D识别和跨膜信号转导,也表明了NKG2D具有强大的配体识别能力(图2)。 

该研究揭示了细胞膜的二维物理受限空间与生物拉力所选择性诱导的配体构象变化共同赋予了NKG2D的配体识别能力,提示克服和调节不利的肿瘤力学微环境,调控免疫受体识别能力或许能够进一步提高免疫治疗效果,为未来免疫治疗提供了新思路。通俗地讲,“秘密武器”只有在“警察”手中才能灵敏地区分“好人”和“匪徒”,脱离“警察”就不灵敏啦;并且用力拉一拉这个“秘密武器”,会更灵敏地区分“好人”和“匪徒”呢。

 

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 图2.NKG2D受体识别配体的分子机制

浙江大学基础医学院博士生范娟,浙江大学生仪学院博士生施佳未和中科院生物物理所博士生张勇为文章第一作者;浙江大学基础医学院、浙江大学附属第二医院陈伟教授,浙江大学生仪学院、浙江大学附属邵逸夫医院尹巍巍副教授和中科院生物物理所娄继忠研究员为论文的共同通讯作者。该项目还得到了基础医学院张进研究员课题组、附属第一医院方维佳研究员及其相关人员、浙江大学医学院公共实验平台的大力支持。浙江大学孙启明教授、曾浔研究员和孙洁研究员也为该研究提供了相关支持。本课题受到国家科技部蛋白质重大研究计划项目、国家自然科学基金委、浙江大学等项目经费的大力支持。 

陈伟教授在加入浙江大学基础医学院以来,研究团队重点聚焦研究膜生物力学因素动态调控膜蛋白构象变化和功能关系,特别是膜蛋白跨膜信号动态传导机制。其利用生物力学、单分子生物物理、单细胞技术、生物化学与分子生物学、细胞生物学、免疫学、病毒学、结构生物学以及计算生物学等多尺度的多学科交叉研究方法,对力学因素动态调控膜受体的分子机制进行了系统深入的研究,在Cell Research、Molecular Cell、eLife、Nano Letter等国际专业期刊上发表了系列工作,包括生物机械力动态调控新冠病毒刺突蛋白活化(Hu et al, 2021)、TCR识别非我抗原(Wu et al, 2019)、以及FcγRIIB-I232T多态性削弱配体识别(Hu et al, 2019)、临床PD-1抗体原位互作特性(An et al, 2020)等,分别为寻找更好的新冠病毒阻断策略、寻找肿瘤新抗原、解释FcγRIIB跨膜突变引起红斑狼疮发病的分子机制、以及寻找最优临床免疫治疗抗体等方面提供了全新的理论基础。 

该论文的发表是陈伟及其合作者研究团队对另一个重要激活性免疫膜受体NKG2D配体识别机制的新贡献,拓展了传统对免疫识别分子的认识,对未来基于该受体的免疫治疗药物开发提供了思路。


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