——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
10月2日，國際學(xué)術(shù)期刊Molecular Cell在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所）許琛琦研究組聯(lián)合中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所施小山研究組與上海科技大學(xué)王皞鵬研究組的最新研究成果："Lipid-regulated phosphorylation hierarchy of the T cell receptor tyrosine motifs"。研究團隊利用核磁共振、定量質(zhì)譜、生化和細胞實驗，解析了TCR-CD3復(fù)合物中關(guān)鍵信號亞基CD3ζ的胞內(nèi)區(qū)結(jié)構(gòu)以及磷酸化規(guī)律，揭示了脂質(zhì)與正電基序（Basic residue Rich Sequence,BRS）靜電相互作用在其中的關(guān)鍵調(diào)控機制，同時提出CD3ζ磷酸化不充分是T細胞功能耗竭的誘因之一。
T細胞的活化依賴其表面T細胞受體（TCR）對抗原的精準(zhǔn)識別及后續(xù)信號傳遞。TCR信號如何實現(xiàn)“精準(zhǔn)啟動”與“功能多樣性”，是免疫學(xué)領(lǐng)域的核心科學(xué)問題之一。TCR結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由抗原識別亞基TCRαβ和三個信號亞基CD3εδ、CD3εγ和CD3ζζ構(gòu)成。這些CD3信號鏈的胞內(nèi)區(qū)共含有10個免疫受體酪氨酸活化基序（ITAM），對應(yīng)20個可磷酸化的酪氨酸位點。這些位點如何通過差異磷酸化編碼特異性抗原信號，仍是未解之謎。盡管近期多項冷凍電鏡研究報道了TCR-CD3復(fù)合體結(jié)構(gòu)，但由于CD3胞內(nèi)區(qū)無序且高度動態(tài)，其構(gòu)象信息仍嚴(yán)重缺失。因此，解析該區(qū)域的結(jié)構(gòu)與功能，對完整理解TCR介導(dǎo)的免疫應(yīng)答至關(guān)重要。
CD3ζζ同源二聚體是TCR-CD3復(fù)合物的關(guān)鍵信號亞基，其每條胞內(nèi)區(qū)含有3個ITAM，由此貢獻了TCR中60%的可磷酸化酪氨酸位點。為攻克CD3ζ胞內(nèi)區(qū)“無序且動態(tài)”帶來的結(jié)構(gòu)解析難題，研究團隊采用模擬生理膜酸性磷脂環(huán)境的脂質(zhì)雙分子層（bicelle）系統(tǒng)，結(jié)合溶液核磁共振技術(shù)，成功解析了CD3ζ胞內(nèi)信號區(qū)的動態(tài)構(gòu)象。結(jié)構(gòu)分析表明，CD3ζ的3個ITAM基序呈現(xiàn)從N端到C端的膜插入梯度：N端的ITAM1膜插入程度最淺，ITAM2居中，ITAM3最深。值得注意的是，ITAM的膜插入水平主要由其鄰近的BRS與脂質(zhì)的相互作用調(diào)控，而非ITAM自身序列。這一發(fā)現(xiàn)明確了CD3ζITAM結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的分子基礎(chǔ)。
為探究ITAM膜插入差異的功能影響，研究團隊利用新型靶向定量質(zhì)譜等技術(shù)分析了其磷酸化模式。發(fā)現(xiàn)在酸性脂質(zhì)環(huán)境中，ITAM磷酸化效率與其膜插入深度呈負相關(guān)，即膜插入最淺的ITAM1最易被LCK激酶接觸，故磷酸化最快，形成從N端到C端的順序磷酸化；此順序在中性脂質(zhì)環(huán)境或BRS突變體中均消失，證明“BRS-lipid”的靜電相互作用是CD3ζ順序磷酸化的核心驅(qū)動因素。
研究團隊進一步探究了慢性TCR刺激（模擬腫瘤微環(huán)境或慢性感染）對CD3ζ磷酸化的影響。結(jié)果表明： CD3ζ的磷酸化模式在T細胞耗竭過程中發(fā)生顯著改變——C端的ITAM3的磷酸化衰減速度遠快于N端的ITAM1，致使細胞中積累大量“部分磷酸化”的CD3ζ，進而引發(fā)TCR信號不足。該發(fā)現(xiàn)為T細胞耗竭機制提供了新解釋：即除了“外在的”免疫檢查點分子（如PD-1、LAG3等）外，“內(nèi)在的”TCR自身的磷酸化不足也是T細胞功能異常的重要原因。在多種人類腫瘤中，這種信號衰減與T細胞耗竭密切相關(guān)。
綜上所述，該研究通過生物物理學(xué)、生物化學(xué)和免疫學(xué)的多學(xué)科交叉，解析了CD3ζ胞內(nèi)區(qū)在生理酸性膜環(huán)境中的動態(tài)結(jié)構(gòu)，闡明了靜電調(diào)控的ITAM順序磷酸化規(guī)律，揭示了T細胞耗竭的新機制，為免疫治療提供了新思路。
值得一提的是，許琛琦團隊和合作者的前期研究發(fā)現(xiàn)，正電基序BRS存在于70%的人類單跨膜蛋白，其中包括重要的免疫受體TCR、BCR、CD28、LAG3、PD-L1、IL7R等。這些免疫受體可以結(jié)合不同信號分子形成近膜靜電調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮各種功能（Shi et al.,Nat Rev Immunol 2024），包括調(diào)控免疫受體的磷酸化、泛素化、液液相分離、機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程。（詳細內(nèi)容見https://xulab.sibcb.ac.cn/，代表性論文包括Cell 2008,Nature 2013,Cell Res 2017,Nat Struc Mol Biol 2017,Cell 2020,Immunity 2024，Cell 2025等。）本研究中揭示的BRS-lipid靜電相互作用調(diào)控CD3ζ順序磷酸化的新機制進一步完善了近膜靜電網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機制，為人工設(shè)計免疫受體提供了新理念。
分子細胞卓越中心許琛琦研究員、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所施小山研究員以及上海科技大學(xué)王皞鵬研究員為該論文的共同通訊作者。分子細胞卓越中心李華副研究員、孟麗博士、深圳先進技術(shù)研究院褚純博士、分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李昌庭、楊皓晨為該論文的共同第一作者。該項工作獲得國家自然科學(xué)基金、科技部、中國科學(xué)院、上海市科委以及科學(xué)探索獎、尚思探索學(xué)者基金會的項目資助，該研究得到分子細胞卓越中心分子生物學(xué)技術(shù)平臺，蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施核磁共振系統(tǒng)，深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院公共技術(shù)平臺提供的技術(shù)支持和協(xié)助。
文章鏈接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(25)00746-4
?CD3ζ信號區(qū)的膜結(jié)合結(jié)構(gòu)及其磷酸化層級性
該論文被選為封面故事：六孔長笛象征含六個酪氨酸磷酸化位點的CD3ζ。正如不同的笛子孔位組合可產(chǎn)生各種音調(diào)，不同的CD3ζ磷酸化組合也能產(chǎn)生多樣化的信號輸出，從而決定抗原免疫應(yīng)答的特異性。封面插畫由許琛琦研究組的張雨萌同學(xué)創(chuàng)作。
