一、TCR信号通路（ko04660）简介以及其在kegg通路中的位置
T细胞是适应性免疫反应的主要细胞类型，在病原体清除和肿瘤监测中发挥核心作用。T细胞受体（T cell receptor，TCR）可以让T细胞特异性识别靶细胞膜表面的抗原（由MHC复合物呈递）并激发细胞免疫反应。关于T细胞以及TCR如何体内如何发育成熟，在基迪奥系列丛书《单细胞测序完全解析》中的第五章有专门介绍，这里就不重复赘述。本期重点介绍TCR被特异性的抗原激活后，如何激发T细胞内的信号通路，从而让T细胞完成发育、增殖、分化以及免疫反应。而TCR信号通路中的多个分子（例如，最有名的PD-1）是目前肿瘤免疫治疗的热点，所以了解这个通路也有利于我们学习肿瘤治疗领域的进展。
我们先来看看TCR信号通路在kegg通路中的位置。在前文提到的kegg核心35通路中（下图），TCR信号通路一共与7个通路存在直接串扰关系（包括上下游连接关系或者平行串扰关系）。TCR信号通路核心是TCR与配体、共受体等的互作以及相关的调控关系。但该通路的信号最终还是依赖我们熟悉的NF-κB、MAPK、Calcium signaling pathway等通路传递到细胞核，完成对下游靶基因表达的调节。
图1 TCR信号通路在35个核心通路中与直接相关的通路
如果看整个kegg数据库中，与TCR信号通路存在直接关系的通路为28个（图2，表1）。在一级分类属于Human Disease的15个通路主要属于Immune diseases和 Infectious diseases两个类型。因为T细胞是适应性免疫的关键细胞，与之相关的疾病类型自然主要为免疫和感染相关疾病。在一级分类Environmental Information Processing下的6个Signal transduction通路，都是我们耳熟能详的关键信号传导通路，TCR依赖这些通路将信号传递到细胞核。在一级分类Organismal Systems下还包括四个Immune system，因为TCR信号对T细胞的成熟、分化起着决定性作用。
图2 TCR信号通路最直接相关的28个通路网络示意图
图3 TCR信号通路涉及的kegg通路的分类
表1 TCR相关的28个通路列表
二、TCR信号通路的结构以及相关的膜表面蛋白
2.1 信号通路的整体结构
从左往右看，是信号从胞外向细胞内传递的过程。TCR信号通路的细胞外部分相对比较简单。因为TCR只与MHC-抗原肽复合物结合。但因为抗原的种类理论上有无限多种，所以可以认为TCR是体内配体类型最丰富的一种受体。图的右侧部分，主要由NF-κB、MAPK、Calcium signaling pathway等与TCR信号通路串扰的通路构成。正如上文提到过的，TCR信号主要依赖这些通路将信号传递到细胞核内。
从图的上、下区分，分别是TCR通路中的两类共调节因子的调控机制，分别图上半部分的共抑制因子（Co-inhibitor）调控（包括PD-1、CTLA4等明星免疫抑制因子）；以及图下半部分的共激活因子（Co-stimulator）调控（包括CD28等常见的T细胞激活因子）。
图4 kegg信号通路图
2.2 T细胞的类型
T细胞是一种在胸腺中发育成熟的淋巴细胞。这些细胞主要在骨髓中产生，并迁移到胸腺中成熟。未成熟的T细胞可以分化为三种类型的T细胞:辅助性T细胞（Th细胞）、细胞毒性T细胞（Tc细胞）和调节性T细胞（Tregs，以前被称为抑制性T细胞，也可以认为是一种特殊的辅助性T细胞）。Th细胞主要识别抗原并激活巨噬细胞、Tc细胞和B细胞。Tc细胞可以破坏被感染细胞，导致其凋亡。调节性T细胞调节免疫系统，以耐受自身抗原，预防自身免疫性疾病。
2.3 TCR复合物相关的主要膜蛋白分子
（1）TCR分子
TCR是由两个蛋白亚基（通常由α和β链构成）构成的异二聚体受体（图5）。受体亚基由V、D、J等不同基因片段组合而成。每个基因片段在细胞内有多个拷贝，在T细胞成熟过程中可以随机产生不同的组合以及变异，人类体内的TCR序列理论上可以产生超过1018种组合。因此，理论上对于每一种特异性抗原，人体总是有机会产生与之亲和力最强TCR。如果TCR高亲和力地与特定抗原结合，将激活T细胞内一系列信号。
图5 TCR与MHC-抗体复合物（位于抗原递呈细胞表面）结合示意图
（2）MHC复合以及抗原
游离的抗原无非直接通过结合TCR激活T细胞。只有抗原肽与MHC（主要组织相容性复合体）形成复合物，呈递到细胞表面，这些抗原信号才能有效激活T细胞（图5）。这是因为TCR信号的激活，还需要协同受体CD4/CD8与MHC的结合信号。MHC包括MHC I和MHC II两种类型。其中，MHC I负责递呈病毒蛋白肽段颗粒（病毒的蛋白本身是利用细胞的转录翻译系统合成的），可以与细胞毒性T细胞结合。而MHC II负责递呈被细胞吞噬或内化了的病原体（例如，细菌）蛋白肽段，可以与辅助型T细胞的结合。
（3）CD3分子
TCR αβ异二聚体本身缺乏信号转导活性，但可以与具有信号转导能力的CD3亚基非共价结合，从而让整个TCR复合物具有信号传导能力。CD3亚基包括δ、ε、γ、ζ等不同亚型，对应编码基因为 CD3D, CD3E, CD3G 和 CD3Z。通常为TCRα/β与6个CD3亚基（包含γ/ε、δ/ε和ζ/ζ）组成TCR-CD3受体复合（图5）。其中CD3γ、CD3δ、CD3ε亚基各含有一个基于酪氨酸的免疫受体激活基序（ITAM），而CD3ζ含有三个串联ITAM，因此每个TCR总共产生十个ITAM。酪氨酸磷酸化的ITAM序列通过招募含SH2结构域的蛋白激酶（最常见的是ZAP70）至TCR，从而将TCR偶联至细胞内信号转导通路。
（4）CD4/CD8分子
TCR与MHC呈递的抗原肽结合的同时，还一般还需要两类协同受体来识别并结合MHC分子，它们是CD4或者CD8协同受体。CD4协同受体出现在Th细胞表面（Th细胞就是CD4+细胞），CD8协同受体出现在Tc细胞表面（Tc细胞就是CD8+细胞），因此这两个分子就是区别两类T细胞的biomarker。
（5）CD45
CD45是一类结构相似，分子量较大的跨膜蛋白家族，广泛存在于白细胞表面，其胞浆区段具有酪氨酸磷酸酶的作用，能使底物LCK和FYN上特定酪氨酸位点脱磷酸而激活，从而促进TCR的激活。但同时，CD45可以去磷酸化TCR复合物中的CD3 ζ亚基，从而抑制TCR激活。研究发现CD45可以调节T细胞受体对抗原呈递的反应活性，激活受体对强结合抗原的反应，但抑制对弱结合抗原的反应。通过这样的机制，过滤掉不必要或者潜在有害的T细胞免疫反应微弱信号。
2.4 TCR通路的主要共激活因子
除了TCR与抗原结合，T细胞的增殖活化通常还需要不同的细胞表面受体传递第二种“共刺激”信号。最常见的共刺激受体是CD28。T细胞表面的CD28可以与抗原呈递细胞表面B7-1（也称为CD80）和B7-2（也称为CD86）结合，从而激发共刺激信号（图6）。受体ICOS同样属于CD28超级家族，同样具有增加T细胞对抗原的反应的作用。
2.5 TCR通路的主要共抑制分子——免疫检查点分子
T细胞活化的几种负调节因子紧密控制免疫系统，避免免疫过度活化。这些抑制性调控蛋白被称为免疫检查点，包括CTLA4和PD-1受体，它们代表了当前免疫检查点阻断疗法最常见的靶点。CTLA4与CD28属于同一个蛋白超家族，也与B7-1和B7-2结合（图6），且亲和力明显高于CD28。但不同于CD28，CTLA4起到免疫抑制作用。除了CTLA4和PD-1，还发现了其他免疫检查点分子，包括TIM3、LAG3分子和TIGIT蛋白，它们代表了T细胞免疫治疗的有吸引力的新兴靶点。
图6 T细胞共刺激以及共抑制受体作用示意图
三、TCR信号通路主要过程
TCR信号转导由TCR与抗原呈递细胞（APC）或者靶细胞上表达的抗原肽-MHC复合物的结合触发。可以分为若干步骤（图7）：
（1）TCR以及协同受体CD8/CD4与MHC-抗原复合物的共结合，诱导了TCR复合物成分CD3链内的构象变化。
（2）细胞内LCK组成型地与协同受体CD4/CD8结合。当CD4/CD8与MHC复合物结合，而MHC复合物也和TCR结合，导致LCK被招募到富含TCR复合物的区域。
（3）LCK磷酸化TCR复合物成分CD3中的ITAM结构域，从而使酪氨酸激酶ZAP70被招募与CD3 ζ链结合，并被LCK磷酸化激活。
（4）ZAP70磷酸化激活跨膜支架蛋白LAT，进一步导致多个接头蛋白和效应分子的募集以及L AT信号体复合物的形成。
（5）LAT相关效应分子的激活导致信号通过三种主要信号途径串扰传播: Ca2+信号通路、 MAPK信号通路和NF-κB信号途径（对应在kegg图中也有标注）。Ca2+-钙调神经磷酸酶（calcineurin ）信号导致转录因子NFAT去磷酸化并易位到细胞核启动下游基因转录；NF-κB信号传导导致REL和NF-κB转录因子的核易位；MAPK信号激活导致转录因子FOS、JUN和AP-1的激活。这些转录因子的协同作用导致T细胞增殖、迁移、细胞因子产生和效应子功能。以上三个信号途径都有专门的章节介绍，这里就不再赘述。
另外在图7中没有描绘的关键内容还包括与T细胞共刺激受体CD28（或其他相关细胞因子受体）的激活相关的信号效应子和途径（例如，PI3K-AKT途径、JAK途径、STAT途径）。这些共刺激因子提供的信号可以强化TCR信号，促进T细胞增殖分化。
图7 TCR信号通路主要过程
由于篇幅过长，本期推文就先到这里，下期将继续分享TCR信号通路的关键调节结点、T细胞发育过程中的TCR信号通路调节、CD28超家族的共刺激/抑制作用。
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参考文献
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[1]基迪奥生信丛书《单细胞测序完全解析》，第五章“10X单细胞 V(D)J测序”。
[2] 《免疫生物学》，janeway著(中译本)第五版。
[3] Courtney A H, Shvets A A, Lu W, et al. CD45 functions as a signaling gatekeeper in T cells[J]. Science signaling, 2019, 12(604): eaaw8151.
[4] Huse M. The T-cell-receptor signaling network[J]. Journal of cell science, 2009, 122(9): 1269-1273.
[5] Gaud G, Lesourne R, Love P E. Regulatory mechanisms in T cell receptor signalling [J]. Nature Reviews Immunology, 2018, 18(8): 485-497.
转自：基迪奥生物
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