T细胞抗原特异性免疫应答的调控机制

T cells play important roles in the process of inflammation, in particular chronic inflammation. T cells can specifically recognize antigens and initiate antigen-specific immune responses, which is largely dependent on T cell receptor (TCR) signaling. The ligation of TCR with its cognate antigen results in the tyrosine phosphorylation of the CD3 molecules in the TCR complex, thus triggering downstream signaling cascades to fully activate T cells. Different antigens can trigger distinct TCR signaling pathways that lead to different T cell immune responses. Our earlier works unveil the molecular mechanism of the maintenance of TCR quiescent state in resting T cells (Cell 2008, first author) and the amplification of TCR activating signal in activated T cells (Nature 2013, corresponding author). But we still do not know how antigen can directly determine the effector function of T cells via TCR phosphorylation patterns. In this project, we will use cutting-edge technologies including Quantitative Mass Spectrometry to study the antigen-induced TCR phosphorylation patterns and downstream signaling patterns. We will use single molecule and other technologies to investigate how TCR decodes different antigen stimulating signals to distinct TCR phosphorylation patterns. We will also use tumor models to study the physiological importance of TCR phosphorylation patterns in T cell immune responses. The performance of this project will elucidate the molecular mechanism of antigen-specific immune response of T cells and also provide new ideas for treating human diseases.

T细胞对炎症反应特别是慢性炎症反应起着重要的调控功能。T细胞能特异性地识别抗原并产生特异性的免疫应答。T细胞抗原受体（TCR）对T细胞的功能发挥起着关键作用。抗原与TCR的结合能引起TCR的酪氨酸磷酸化，由此开启下游信号通路并活化T细胞。不同的抗原可以通过TCR信号通路引发不同的免疫应答。我们的前期工作发现了TCR维持静息态的机制（Cell 2008，第一作者）以及TCR活化信号放大的机制（Nature 2013，通讯作者），但仍未阐明抗原如何通过TCR磷酸化决定T细胞效应功能的调控机制。本项目将利用定量质谱等前沿技术研究抗原刺激所引发的特异性TCR磷酸化模式及其下游信号通路模式；利用单分子等前沿手段研究特异性TCR磷酸化模式产生的分子机制；利用肿瘤模型研究TCR磷酸化模式对T细胞抗原免疫应答的直接影响。该项目的执行将阐明T细胞抗原特异性免疫应答的调控机制并为相关疾病的治疗提供新的思路。

T细胞是免疫系统中关键的效应细胞，T细胞活化依赖于细胞表面的T细胞抗原受体（T-cell receptor, TCR）和共刺激受体CD28，另外共抑制受体PD-1可以抑制T细胞的过度活化。在本项目的执行期间，我们对TCR，CD28和PD-1的信号调控机制展开了深入的研究。.TCR共有四种信号蛋白：CD3ε，δ，γ，ζ。CD3ζ是主要的活化亚基，而CD3ε的功能还不清楚。我们针对CD3ε做了详细的研究。首先发展了单分子技术，分析了TCR的信号亚基CD3ε胞内段与细胞质膜的动态结合，发现不同强度的抗原可以使CD3ε处于不同的构象态，提示TCR的结构多态性介导了其功能多态性（Cell Res 2017）。另外阐明了Lck激酶对TCR的四种CD3亚基的选择性，发现了CD3ε亚基可以通过静电相互作用招募Lck，启动CD3磷酸化过程（PNAS 2017）。随后发展了一种全新的绝对定量质谱系统，监测四种CD3亚基的动态磷酸化过程。我们发现CD3ε亚基具有特殊的单磷酸化模式，可招募Csk发挥抑制作用；而其它三种CD3亚基则发生双磷酸化，通过招募Zap70发挥活化作用。这些研究表明CD3ε亚基是TCR中一个关键的调节性亚基，具有多种信号功能。将CD3ε引入到临床使用的嵌合型抗原受体（CAR）中，可以降低细胞因子风暴的风险并提高CAR T细胞的持续性和抗肿瘤活性（Cell 2020，中国生命科学十大进展）。此外，设计了一种新型的可循环CAR，能显著提高CAR-T细胞的体内持续能力和抗肿瘤效果，为现有的靶向各种肿瘤的CAR-T疗法提供一种简单易行且广谱的解决方案（Immunity 2020）。.我们还发现TCR-Ca2+-CD28在T细胞中能形成信号正反馈环路，可以迅速放大T细胞信号强度，从而极大地提高T细胞的抗原响应敏感性（Nat Struct & Mol Biol 2017）。PD-1在T细胞中的表达量直接受E3泛素连接酶FBXO38的调控。FBXO38可以介导PD-1发生K48多聚泛素化修饰，进而通过蛋白酶体降解。在肿瘤微环境中，FBXO38会在T细胞中下调表达，导致PD-1的高表达；而IL-2能够上调FBXO38的表达，进而降低PD-1的水平，从而提高T细胞的抗肿瘤功能（Nature 2018）。