生物力对细胞膜结构及其生物学功能的调控

雷克儿

近年来，免疫学研究的进步带动了免疫治疗手段如PD-1、CAR-T疗法的迅猛发展，其中T细胞的相关研究起到了至关重要的推动作用。T细胞是行使获得性免疫功能的重要淋巴细胞，在受到外界抗原刺激后，T细胞需要经过活化才能发挥其特异性的杀伤作用。T细胞膜表面的T细胞受体（TCR）能够特异性地识别抗原递呈细胞或肿瘤细胞上提呈的带有特异性抗原肽的主要组织相容性复合物（pMHC），进而激活T细胞并发挥杀伤作用。然而，TCR识别pMHC后，抗原识别信号是如何跨越细胞膜的目前还不是非常清楚，这为免疫治疗方法的优化和应用潜能带来了阻碍。通过总结当前的研究结果，我们提出了一个具有普适性的力依赖的跨膜信号转导模型：当T细胞处于静息状态时，TCR复合物未结合pMHC而处于平衡状态，同时细胞膜处于张力稳态，膜上的各种脂呈动态随机分布；而当TCR结合pMHC，受体与配体的相互作用力会传递到细胞膜上。在这种机械力的作用下，细胞膜会发生形变，在力的作用位点产生局部的曲率变化。这种曲率的变化使分布于细胞膜内小页的强负电性磷脂PI（4，5）P2聚集在受体-配体作用位点，使膜电位变为强负电性，引起TCR-CD3复合物的胞内段及膜周的效应蛋白发生构象变化进而被激活，完成力学信号向化学信号的转化，化学信号进一步向下传递并完全激活T细胞。这种机制可能也可解释许多其他跨膜信号转导过程，尤其是识别一些固定的胞外或细胞结合的抗原的单次跨膜受体。本论文对该理论模型进行实验验证，聚焦于研究生物力对磷脂膜结构的影响及相关生物功能的调控作用，确定生物力引起的膜曲率变化是否使膜内强负电磷脂发生聚集并产生具有信号传递功能的微结构域。本文的研究内容和成果主要有以下几个方面：首先，我们研究了不同磷脂对高曲率的趋向性：我们在体外重组囊泡系统上对磷脂分布进行研究，发现磷酸肌醇（PPIns）家族的不同磷脂对高曲率膜的趋向性不同，且聚集程度与磷酸根数量成正相关；之后进一步通过光谱偏振断层成像术和机械力-纳米管法，我们发现含有PI（4，5）P2的膜在力作用下形成的高曲率与低曲率的脂组成成分有显著差异。其次，进一步研究磷脂组分的差异对膜物理性质的影响及PI（4，5）P2对高曲率产生响应的原因，我们通过原子力显微镜测量了含有不同PPIns磷脂膜的弹性性质，发现强负电的PPIns会使脂膜更易弯曲，且这种趋势与聚集实验现象一致。这可能是带强负电的磷脂能在高曲率处聚集的原因之一。并且，由于肿瘤的发生会造成脂代谢的异常，结合我们发现的磷脂成分不同会影响膜硬度的实验结果，我们与北京协和医院研究组合作进行脑部肿瘤的组织硬度与肿瘤发展等级相关性的研究。我们发现肿瘤组织的硬度明显异于瘤旁组织，且出现了明显的受年龄影响的高低关系差异。然而一例经过PD1治疗的病例样本肿瘤组织与瘤旁组织没有硬度差异。肿瘤组织硬度的改变与其等级发展存在怎样的关联，是否与肿瘤细胞膜上磷脂成分的改变有关等待我们在后续研究种进一步验证。最后，我们尝试利用生物膜力探针研究负电磷脂的聚集是如何改变T细胞激活通路中重要激酶Lck的活化状态的。结果表明Lck的SH2结构域能够低特异性地与体系内其他分子发生强相互作用。聚集后的磷脂是怎样影响Lck在T细胞激活中的作用有待我们进一步验证。受体与配体结合后的活化过程是信号转导研究中的重要一环，力依赖的跨膜信号转导模型可能具有普适性，继续研究生物力对细胞膜结构及其生物学功能的调控将为深入理解信号转导、相关免疫疗法的研究提供新的思路。