TCR-MAP：使用合成细胞电路的MHC I类和II类限制性T细胞表位的高通量发现

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高通量发现 MHC I类 MHC II类 T细胞表位 合成细胞电路 抗原发现

高通量发现MHC I类和II类限制T细胞表位的新型合成细胞回路

研究背景及问题

近年来，抗原发现技术已经取得了显著进展，特别是针对人类T细胞受体（TCRs）在主要组织相容性复合体（Major Histocompatibility Complex, MHC）I类限制性识别中的运用。然而，针对MHC II类限制与小鼠TCR活性的研究与技术相对滞后。这种局限性阻碍了多种免疫相关疾病如癌症、传染病和自身免疫疾病的治疗和研究。这篇文章旨在报告一种新型的TCR抗原发现方法，即抗原肽的TCR映射（TCR mapping of Antigenic Peptides, TCR-MAP），以填补这一研究空白。

论文来源

这篇文章由Ayano C. Kohlgruber、Mohammad H. Dezfulian、Brandon M. Sie、Charlotte I. Wang、Tomasz Kula、Uri Laserson、H. Benjamin Larman及Stephen J. Elledge等学者联合撰写。研究的参与单位包括Brigham and Women’s Hospital、Harvard Medical School、Boston Children’s Hospital、Massachusetts General Hospital、Icahn School of Medicine at Mount Sinai、Johns Hopkins School of Medicine等。该论文于2023年11月5日接受，2024年4月16日发布，并发表在《Nature Biotechnology》。

研究方法及流程

方法概述

TCR-MAP是一种利用合成TCR刺激回路激活免疫细胞胞外标签的方法。具体来说，通过在永生化Jurkat T细胞中使用合成回路，激活Sortase介导的工程抗原呈递细胞（APCs）的标签，从而使得带标签的活体APCs能够直接被纯化并通过测序进行解码。该方法可以以极高的通量和敏感性查询MHC I类和II类限制TCR的自反应或病毒反应。

详细流程

  1. Jurkat细胞工程化：首先对Jurkat细胞进行基因改造，使其表达合成回路，包括mCD40L-Srta。该构建在TCR活化后表达，并催化cognate APCs的标签。

  2. 目标APCs的改造：通过转导，目标APCs会表达处理后的肽段和目标MHC分子，当这些肽段被TCR识别时，标签会被传递到APCs表面。

  3. 实验验证：

    • 首先，利用人类巨细胞病毒（CMV）来源的肽进行了试验，证明该方法能够识别特异性肽并进行标签化。
    • 进一步验证中，使用癌症/睾丸相关抗原1b（CTAG1B/NY-ESO-1）进行实验，显示该方法在检测癌症肽段时具有高度的特异性和敏感性。
    • 类似地，还对小鼠模型进行了验证，通过使用已知的OT-I TCR-SIINFEKL表位对系统进行了测试，结果表明该系统同样适用于小鼠。

算法及数据分析

研究中还使用了复杂的计算模型和数据分析算法，包括流式细胞术和生物信息学分析，以精确测定抗原的标签反应。同时还结合了自开发的软件进行数据处理，确保结果的准确性和再现性。

主要结果

  1. 有效捕获TCR-MHC交互：TCR-MAP能够有效捕获MHC I和II类分子与TCR的特异性交互，通过细胞表面标签的方法，其敏感性和特异性得到了验证。

  2. 自反应和病毒反应的高通量检测：该系统能够高通量且敏感地检测自反应或病毒反应，适用于癌症、传染病和自身免疫病的抗原发现。

  3. 多样性反应库的映射：在包含人类、病毒和小鼠等多个蛋白质库的实验中，TCR-MAP展示了其高效的抗原映射能力，尤其是在复杂的抗原环境中。

  4. 敏感检测与未来扩展：实验结果证明了TCR-MAP在处理低亲和力和高亲和力抗原时的敏感性，这为未来在多样化TCR克隆型库中的应用提供了可能。此外，该系统在捕获非肽抗原如脂质或代谢物方面也展现了潜力。

结论及意义

科学价值

此项研究开发的TCR-MAP方法为科学界提供了一种高效、灵活、敏感的新方法，能够高通量地解析TCR特异性抗原。它克服了传统方法中的许多局限性，包括对原代T细胞的依赖和对目标细胞杀伤的要求。

应用价值

TCR-MAP的广泛应用潜力包括癌症、传染病及自身免疫病的抗原发现和治疗，特别是在自免疫病和肿瘤治疗中具有重大意义。

研究亮点

  • 灵活及特殊性：该方法能够适用途径广，包含人类与小鼠等模型，适用于MHC I类和II类限制性TCR。
  • 高通量及敏感性：通过实现高效的抗原发现和标签化，提高了检测的敏感性和特异性。
  • 跨物种的可用性：此次研究证明了TCR-MAP在多个物种中均可有效应用，为基础研究和应用研究带来便利。

TCR-MAP提供了一种创新的、灵活的、高效的抗原发现方法，必将在免疫学研究、临床应用及其它相关领域带来显著的突破。