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科研进展

 Cell | 黄超兰课题组与合作者利用新型绝对定量质谱法揭示CD3ε 的多重信号转导功能

 

2020729日,北大=清华生命科学联合中心、北京大学黄超兰团队,中科院上海生化与细胞所许琛琦团队、美国加州大学圣地亚哥分校惠恩夫团队,联手在Cell上发表了题为“Multiple signaling roles of CD3ε and its application in CAR-T cell therapy”的论文,该研究通过开发基于质谱的绝对定量蛋白质组新方法,揭示了T细胞受体-共受体TCR-CD3)复合物酪氨酸在不同抗原刺激下的动态磷酸化修饰全貌,解析了不同CD3ITAM结构域磷酸化特征的奥秘,从中发现了其中一条亚基CD3ε的单磷酸化新功能,有望助力于设计全新的CAR-T疗法。


TCR-CD3复合物在T细胞的发育、激活及对病原的免疫反应中起着决定性作用。这一重要作用来自于CD3链胞内端的免疫受体酪氨酸激活基序(Immunoreceptor tyrosine-based activation motif-ITAM)。而ITAM的多样性功能主要取决于其结构域的酪氨酸(Tyrosine)磷酸化,比如招募SYK激酶家族蛋白ZAP70进而激活下游的信号传导。另外,ITAM的功能也被广泛应用在对嵌合抗原受体(CAR)的研究中。其中CD3ζ亚链便常用于构建CAR-T细胞疗法抗肿瘤活性,但其他CD3链的功能和对于CAR的设计也还有很多未知。


深入探索 CD3 ITAM的酪氨酸动态磷酸化模式可为全面理解不同CD3链的功能提供核心信息TCR-CD3受体复合物有10ITAM结构域分布着20个磷酸化位点­­­­,在时间分辨率下实现对全部磷酸化位点的同时定量分析在技术上极具挑战性。为了直观比较不同TCR刺激下的磷酸化模式,精确绘制出TCR所有酪氨酸磷酸化的动态过程,黄超兰团队开发了一种新颖的绝对定量方法Targeted-IP-Multiplex-Light-Absolute-Quantitative Mass SpectrometryTIMLAQ-MS)。区别于目前报道的蛋白组绝对定量手段,不需要加入同位素重标的合成肽段,而是巧妙地利用串联质量标签(TMT),设计将6个标准样品和4个分析样品混合起来作为内标。标准样品为不同浓度梯度的合成非重标磷酸化/非磷酸化CD3肽(A)和从未经抗原刺激的T细胞中通过IgG抗体免疫沉淀下来的背景蛋白(B)的混合物;用数据依赖采集(Data-dependent acquisition, DDA)结合平行反应监测(Parallel reaction monitoring, PRM)的方式获得抗原刺激下,TCR-CD3免疫沉淀(IP)复合物中不同酪氨酸位点的磷酸化/非磷酸化在不同时间点的定量结果。TIMLAQ 成功绕过了以前的定量方法中通常使用的同位素重标记肽,既节约了成本,又有效降低了方法的复杂性和数据采集误差,进一步提高了定量准确性,最终可完全实现在一次测量中对不同时间点全部ITAM磷酸化修饰的绝对定量,描绘TCR-CD3复合物的酪氨酸动态磷酸化修饰全貌。

 

 

 

基于TIMLAQ-MS法的CD3 ITAM磷酸化修饰鉴定

 

利用这一方法鉴定到在不同的TCR刺激条件下,CD3各亚基主要表现为双磷酸化修饰模式,而唯独CD3ε则呈现出单磷酸化修饰模式。前研究表明,双磷酸化的ITAM与激酶家族蛋白ZAP70有很强的结合而激活下游信号传导,而单磷酸化的ITAM则表现出很低的结合性。 本文中这一特殊的新发现驱使作者进一步深入探索CD3εTCR通路中的新潜在功能。结果显示,单磷酸化的CD3ε可通过专门募集抑制性Csk激酶减弱TCR信号传导,说明TCR中既有激活基元又有抑制基元,总体呈现为一种自制的信号传导机制。作者团队进一步深入研究,发现一旦将CD3ε细胞质结构域整合到第二代CAR中,CD3εITAM结构域可以通过募集Csk减少CAR-T细胞因子的产生,而CD3εBRS结构域则可以通过募集p85促进CAR-T细胞的持久性。 总体而言,将CD3ε应用于CAR的设计可显著提高CAR-T细胞的抗肿瘤活性。

 

从一个重要的基础生物学问题开始,为解决问题而开发一个新颖方法,得到新发现,再深入探索生物学功能,最后有望贡献在治疗方法上。黄超兰教授,许琛琦教授和惠恩夫教授作为本文的共同通讯作者,完美地演绎了不同交叉领域共同合作而产生的精彩结果。

 

黄超兰教授是北京大学医学部精准医疗多组学研究中心主任,北京大学医学部基础医学院长聘副教授,北大-清华生命科学联合中心研究员,曼彻斯特大学荣誉教授。近年来,黄超兰教授带领团队积极开发基于质谱的蛋白质组学新方法,实验室拥有国际领先的仪器、技术和方法,致力于为生物学和临床研究中遇到的难题提供最有质量保证的全面蛋白质组和质谱技术手段 仅从2015年至今,黄教授在高影响因子的杂志上就发表了近50篇文章 目前已累计发表SCI论文80余篇),不但自己开发最前沿的质谱技术(迄今为止,课题组研发的单细胞蛋白质组技术,在单一体细胞中鉴定的蛋白数量是全球领域最高水平),更发挥了强大的合作力量,以她高超的质谱技术助力了众多科学家的科研发展。曾协助美国普林斯顿大学教授,美国科学院外籍院士颜宁课题组,利用质谱技术有效分析了ACAT1蛋白周围游离的脂质,为ACAT1作用底物的鉴定提供了最为直接有效的证据,相关工作发表在Nature1。最重量级的是协助中科院院士,西湖大学校长施一公教授利用高分辨交联质谱技术对剪接体复合物的成分和相互作用进行准确鉴定,促进了剪接体复合物在冷冻电镜上的超高分辨率结构鉴定,相关工作发表在两篇Science23

 

参考文献:

1 Qian et al., Nature, 2020; 581(7808):333-338

2 Yan et al., Science, 2015; 349(6253):1182-1191

3 Wan et al., Science, 2016; 351(6272):466-475




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