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上海生科院揭示静电作用介导 Src 家族激酶底物选择性的分子机制

图:TCR 磷酸化起始模型。A. 静息态的 T 细胞中,CD3e 和 CD3z 链的胞内区通过静电相互作用与细胞质膜内层的酸性磷脂结合,从而将这两个胞内区屏蔽在膜中,其中包括酪氨酸磷酸化位点和负者招募 Lck 的 BRS 区。CD3d 和 g 的胞内区虽然暴露在细胞质中,但是由于它们不能独立招募 Lck 而难以被磷酸化。B. 抗原(peptide MHC complex,pMHC)结合使得 TCR 发生形变,引发 CD3e 和 CD3z 链的胞内区从膜上解离。C. CD3eBRS 区通过与 Lck UD 区的静电相互作用来招募 Lck。D. 被招募的 Lck 磷酸化四条 CD3 链中的酪氨酸位点,从而激活 T 细胞中的下游信号通路。

6 月 28 日,国际学术期刊 PNAS Plus 在线发表了中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所许琛琦研究组的最新研究成果 Ionic CD3-Lck interaction regulates the initiation of T-cell receptor signaling。该研究揭示了 Src 家族酪氨酸激酶 Lck 识别不同底物的新型分子机制,及其对 T 细胞信号起始的直接调控作用。

T 细胞活化依赖于细胞表面的 T 细胞抗原受体(T-cell receptor, TCR)。TCR 可以识别“自我”和“非我”抗原,并根据抗原的特质引发特异性的下游信号通路,从而使得 T 细胞产生特异性分化并获得不同的效应功能。TCR 复合体有 4 种 CD3 信号链(CD3γ/δ/ε/ζ),共携带了 20 个酪氨酸磷酸化位点。不同的抗原刺激会引起不同的 TCR 磷酸化模式,从而引发特异性的免疫应答反应。因此,阐明 TCR 的磷酸化机制是理解获得性免疫为什么具有特异性的关键所在。

为了探究这一科学问题,在许琛琦的指导下,硕士研究生李伦一、博士后郭兴东、博士研究生施小山、硕士研究生李昌庭等人运用多种技术手段分析了 Lck 磷酸化四种 CD3 信号链的过程。他们发现 Lck 具有明显的底物选择性,即更倾向于携带正电荷的 CD3e 链。生物化学与生物物理的实验发现 Lck 的 Unique domain(UD)与 CD3e 链胞内区的碱性氨基酸富集区(BRS)发生静电相互作用,从而高效地介导了磷酸化过程。将 BRS 区替换到其他的 CD3 链后,Lck 对它们的磷酸化水平明显提高。接着,他们在 293FT 细胞中重构了整个 TCR 复合体及其磷酸化调控蛋白,该系统可以使得他们能够排除下游信号反馈调控来独立地研究 TCR 磷酸化事件。他们发现利用突变削弱 CD3e-BRS/Lck-UD 相互作用后,TCR 复合体的整体磷酸化水平会明显降低,说明了 CD3e 招募 Lck 对 TCR 磷酸化的起始非常关键(如图)。

许琛琦的前期工作发现了 CD3e 的 BRS 区可以与细胞质膜的酸性磷脂相互作用,从而使得整个 CD3e 的胞内区被屏蔽在膜脂双层中(Cell 2008)。基于以上发现,这种膜屏蔽机制既屏蔽了 CD3e 的酪氨酸位点,同时也阻止其 BRS 区与 Lck 的相互作用,达到抑制 TCR 整体磷酸化的效果。在 T 细胞被抗原活化后,抗原结合引起 TCR 形变可能使得 CD3e 胞内区从膜上解离;或者钙离子通过中和酸性磷脂负电荷的方式使得未直接接触抗原的 TCR 中的 CD3e 胞内区从膜上解离(Nature 2013)。不同亲和力的抗原会引发不同程度的 CD3e 膜解离(Cell Res 2017),因此会带来不同的 Lck 招募程度和 TCR 的磷酸化程度。

该项研究工作阐明了 TCR 磷酸化起始的关键机制,同时揭示了 Src 家族酪氨酸激酶具有高度底物选择性这一现象。由于 Src 家族在多种细胞类型中都发挥重要作用,该项工作的发现为理解其它细胞的信号转导提供了新的线索。

该项工作得到了上海科技大学教授王皞鹏的大力帮助,并得到国家自然科学基金委、中科院先导 B 专项以及科技部的经费支持。该研究工作还得到国家蛋白质科学设施(上海)核磁共振系统、生化与细胞所细胞分析技术平台、分子生物学技术平台的大力支持。

http://www.pnas.org/content/early/2017/06/27/1701990114.full

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