磷酸抗原诱导的BTN受体复合物稳定化机制驱动γδ TCR二聚化依赖性激活

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磷酸抗原 Butyrophilin受体复合物 γδ TCR 二聚化 细胞激活

学术背景

γδ T细胞是免疫系统中独特的亚群，其T细胞受体（TCR）由γ和δ链组成，能够识别非肽类抗原，如微生物或肿瘤细胞产生的磷酸抗原（phosphoantigens, PAg）。其中，Vγ9Vδ2 T细胞是人体循环中最主要的γδ T细胞亚群，在抗感染和抗肿瘤免疫中发挥关键作用。然而，PAg如何通过细胞膜受体激活γδ T细胞的分子机制长期未明。

Butyrophilin（BTN）家族蛋白（如BTN3A1和BTN2A1）被鉴定为PAg的传感器，但BTN受体复合物的组装方式、PAg诱导的构象变化及其与γδ TCR的相互作用机制尚不清晰。本研究旨在揭示PAg诱导的BTN复合物“由内而外”稳定化机制，阐明其如何驱动Vγ9Vδ2 TCR二聚化及T细胞激活。

论文来源

本论文由Yuwei Zhu、Wenbo Gao等共同完成，通讯作者为Zhiwei Huang（哈尔滨工业大学生命科学与技术学院）。研究团队通过冷冻电镜（cryo-EM）解析了PAg-BTN-TCR复合物的高分辨率结构，成果于2025年7月8日发表在Immunity期刊（DOI: 10.1016/j.immuni.2025.04.012）。

研究流程与结果

1. PAg诱导BTN2A1-BTN3A1形成2:2四聚体复合物

实验设计：
- 在293F细胞中共表达全长BTN2A1和BTN3A1，加入微生物PAg（HMBPP）后通过凝胶过滤分析复合物形成。
- 使用冷冻电镜解析复合物结构（分辨率3.70 Å），并通过局部聚焦优化提升B30.2结构域分辨率至3.46 Å。

关键发现：
- 结构特征：BTN2A1和BTN3A1均形成同源二聚体，通过细胞内B30.2结构域与HMBPP结合，形成2:2异源四聚体（图1c）。
- 跨膜区互作：BTN2A1的跨膜螺旋通过疏水作用和二硫键（C219-C219、C237-C237）稳定同源二聚化；BTN3A1的螺旋结构域（HD）则通过C端与B30.2的氢键（如E282-R365）形成“域交换”样二聚体。
- 构象变化：HMBPP结合诱导BTN3A1 B30.2构象变化，使其与BTN2A1 B30.2结合，稳定复合物（图1d）。

意义：首次揭示PAg通过细胞内结合触发BTN复合物组装，为“由内而外”信号传递提供结构基础。

2. BTN3A1与BTN3A2/BTN3A3异源二聚体增强复合物稳定性

实验设计：
- 共表达BTN2A1、BTN3A1与BTN3A2或BTN3A3，通过凝胶过滤和冷冻电镜（分辨率4.0 Å）分析复合物。
- 采用有限蛋白酶解实验比较不同复合物的稳定性。

关键发现：
- 异源二聚体优势：BTN3A2（无B30.2结构域）或BTN3A3（PAg结合缺陷突变）与BTN3A1形成更紧密的螺旋结构域（HD）异源二聚体（图2d-e）。
- 稳定性提升：BTN3A1-BTN3A2异源二聚体对弹性蛋白酶降解的抗性显著高于BTN3A1同源二聚体（图3b），与其更强的γδ T细胞激活能力一致。

意义：BTN3A2/BTN3A3作为调控分子，通过稳定BTN3A1构象增强PAg信号传递效率。

3. BTN复合物诱导Vγ9Vδ2 TCR二聚化激活

实验设计：
- 解析BTN2A1-BTN3A1-BTN3A2与Vγ9Vδ2 TCR胞外域的复合物结构（分辨率4.05 Å）。
- 通过生物发光共振能量转移（BRET）验证TCR二聚化。

关键发现：
- 双位点结合模式：一个TCR被“夹”在BTN2A1与BTN3A2的IgV结构域之间（结合位点A，BSA=1070.2 Ų），另一个TCR结合游离的BTN2A1 IgV（结合位点B，BSA=489.3 Ų）（图4a）。
- 构象重排：TCR结合导致BTN2A1 Ig二聚体旋转25°，BTN3A1-BTN3A2异源二聚体反向旋转15°（图4c-e）。
- 功能验证：BRET实验显示，HMBPP处理的BTN复合物显著促进TCR二聚化（图5i）。

意义：提出“二聚化依赖的γδ TCR激活”模型，解释BTN复合物如何通过空间排布优化TCR信号（图6）。

研究结论与价值

  1. 科学价值：

    • 揭示PAg-BTN-TCR信号传递的完整分子机制，填补γδ T细胞免疫识别领域的空白。
    • 阐明BTN3A2/BTN3A3的调控作用，为理解BTN家族功能多样性提供依据。

  2. 应用潜力：

    • 靶向BTN-TCR互作界面可设计新型γδ T细胞免疫疗法，用于抗肿瘤或抗感染治疗。
    • 为开发小分子PAg类似物或BTN拮抗剂提供结构基础。

研究亮点

  • 方法创新：首次通过冷冻电镜解析全长BTN-TCR复合物结构，克服膜蛋白制备难题。
  • 理论突破：提出“由内而外稳定化”和“二聚化激活”模型，颠覆传统γδ TCR识别范式。
  • 跨学科意义：结合结构生物学、免疫学和计算模拟（如分子动力学），推动跨领域研究。

其他信息

  • 数据公开：结构坐标已存入PDB（如BTN2A1-BTN3A1复合物，登录号待补充）。
  • 研究局限：冷冻电镜在膜环境模拟方面存在不足，未来需结合纳米盘技术进一步验证。