適應性免疫系統針對不同病原體的生活方式發展出了多種多樣的應對機制。淋巴細胞能夠識別感染性病原體的特定結構（抗原），這在大多數情況下會導致這些病原體被清除，并提供終身防止再次感染的保護。由B細胞產生的抗體可以結合游離的抗原，因此主要針對胞外病原體及其毒素產物。相反，胞內病原體或腫瘤細胞的抗原必須經過處理并以MHC分子為背景呈遞給T細胞的抗原受體（即T細胞受體，TCR）進行識別。

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細胞毒性T細胞

細胞免疫系統中的T細胞可以通過其表面分子CD4和CD8的表達來區分。CD4+ T細胞，也稱為T輔助細胞，激活巨噬細胞（Th1細胞）或B細胞（Th2細胞），這些細胞通過MHC II分子呈遞相應的抗原，并使它們能夠對抗感染。除了Th1和Th2細胞外，還發現了一種產生IL-17的第三類T輔助細胞。這種所謂的Th17細胞表現出與Th1和Th2細胞不同的效應功能，因此被認為可以清除Th1和Th2細胞無法充分處理的病原體。此外，Th17細胞是強有力的組織炎癥誘導者，并且已被證明參與了許多實驗性自身免疫疾病和人類炎癥狀況。另一方面，控制細胞內病原體或腫瘤依賴于CD8+ T細胞與呈遞抗原的細胞之間的直接相互作用。在遇到抗原后，幼稚的CD8+ T細胞增殖并分化為效應細胞，即細胞毒性T細胞（CTL）。在CD8+ T細胞和靶細胞的接觸區域，T細胞和抗原呈遞細胞的表面分子聚集形成一個高度有序的界面，稱為免疫突觸。在此過程中，表面受體分隔成三個同心區室：中央、外周和遠端超分子活化復合物（SMACs）。在遠端SMAC中發生肌動蛋白積累，在外周SMAC中，T細胞上的非特異性粘附分子LFA-1與靶細胞上的細胞間粘附分子（ICAM）結合（圖1.1）。然而，TCR信號傳導的主要部位被認為位于中央SMAC（cSMAC），因為在該區域富集了TCR及其相關信號傳導蛋白，包括TCRζ、Lck、Zap-70和PKCθ。

●圖1.1 免疫突觸的組成：CTL與靶細胞接觸區域的Z截面示意圖從側面（上圖）和頂視圖展示，附有參與分子的環狀組裝圖（下圖）。

信號傳導發生后，肌動蛋白和微管細胞骨架向突觸極化是細胞毒性的關鍵步驟，因為效應分子的釋放集中在與靶細胞接觸的部位。極化由接觸點處的肌動蛋白細胞骨架局部重組啟動，這進而導致微管組織中心（MTOC）和高爾基體（GA）的重新定向。來自高爾基體的溶酶體顆粒特異性地遷移到MTOC，而MTOC始終與質膜在cSMAC處接觸。形成分泌區域后，顆粒中包含的細胞毒性效應分子隨后在質膜上釋放，啟動所謂的“致命打擊”。

這些細胞毒性效應分子之一是穿孔素，它在靶細胞膜上聚合形成孔洞。水和鹽可以通過這些孔洞進入細胞，導致細胞滲透性裂解。然而，為了有效殺死細胞，另一類稱為顆粒酶的細胞毒性蛋白質是必需的。顆粒酶屬于絲氨酸蛋白酶家族，通過穿孔素形成的孔洞進入靶細胞并誘導細胞凋亡。除了穿孔素介導的細胞毒性外，還存在一種不依賴于穿孔素的T細胞細胞毒性機制。例如，跨膜受體Fas配體（CD95L）也從裂解顆粒中釋放出來，通過與靶細胞上的Fas（CD95）結合誘導細胞凋亡。

細胞毒性T細胞釋放的細胞因子也有助于宿主防御。IFNγ抑制病毒復制并激活其他免疫細胞，如巨噬細胞，并將它們招募到感染部位。腫瘤壞死因子α和β (TNFα和TNFβ) 與IFNγ協同作用，通過結合表面受體TNFR-I來激活巨噬細胞或殺死細胞。

在清除病原體后，大多數效應T細胞迅速死亡，以防止免疫系統被大量“無用”的細胞過載。然而，一小部分T細胞存活下來，成為持久的記憶T細胞，在沒有抗原的情況下持續存在。在二次感染時，記憶T細胞在遇到抗原后立即被激活，并伴隨特異性T細胞的快速增殖，從而防止病原體的新一輪擴展。已報道兩種可以通過不同表面標志物區別的記憶T細胞亞群。中央記憶T細胞（TCM）表現出高表達淋巴歸巢受體CCR7和CD62L，而效應記憶T細胞（TEM）則這兩種受體的表達較低。TCM被認為對持久的保護性免疫至關重要，因為它們在再感染后表現出高的增殖潛力。然而，TCM向效應細胞的轉化往往不夠迅速，尤其是在面對像李斯特菌這樣的快速增殖病原體時。因此，為了對快速增殖的病原體提供即時的保護能力，必須有足夠的TEM存在于感染部位。為了解不同T細胞記憶亞群是否有一個共同的祖細胞或獨立發展，研究人員將一個單一的、幼稚的抗原特異性CD8+ T細胞轉移到小鼠體內，隨后進行微生物挑戰。這導致了克隆擴增并發展出效應T細胞和中央記憶T細胞亞群，揭示了單個幼稚T細胞作為共同祖細胞。

總之，細胞毒性T細胞能夠特異性識別感染或異常細胞，并能夠高效且有方向性地殺死它們，而不會對未感染的細胞造成損害。持久的記憶T細胞能夠在再次受到相同病原體挑戰時提供保護。然而，效應功能的前提是TCR與其配體（負載肽段的MHC復合物）成功結合。

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TCR配體相互作用

T細胞如何識別抗原并參與免疫反應的問題一直是免疫學發現歷史中不同理論和討論的基礎。在證明來自胸腺的細胞（稱為T細胞）提高了B細胞產生抗體的效率后，人們認為T細胞通過與B細胞的協同作用來發揮作用，即T細胞識別抗原的一個決定簇，然后幫助B細胞針對同一分子的第二個決定簇產生抗體。然而，這種觀點未能解釋MHC的作用，而MHC已被確定為負責對移植物或腫瘤的免疫反應。此外，實驗表明T細胞識別的是與細胞相關的抗原，而不是可溶性抗原。1974年，Zinkernagel和Doherty通過細胞裂解實驗取得了對T細胞抗原識別理解上的突破。他們發現，T細胞只有在與靶細胞共享至少一組H-2抗原特異性的情況下，才能在體外裂解感染的細胞。這使他們得出結論：T細胞必須同時識別抗原和MHC分子，因為“只有在這種情況下，才能實現必要的接觸親密性”。1981年，通過一個雙TCR T細胞雜交實驗進一步澄清了是否兩個不同的T細胞抗原受體參與識別，或者一個單一的受體結合抗原和MHC。攜帶兩個TCR的T細胞，分別針對兩種不同的抗原-MHC組合（抗原a + MHC A和抗原b + MHC B），無法與混合組合（抗原a + MHC B和抗原b + MHC A）發生反應，這表明單個TCR必須對特定的抗原和MHC組合作出反應。自1996年首次發表TCR的晶體結構以來，TCR和MHC的結構及其分子相互作用已得到了詳細研究。

TCR結構

在第一個晶體結構出現之前，序列分析預測TCR將類似于抗體分子的膜結合Fab片段。X射線晶體學分析隨后證實TCR和Fab片段的結構具有多個共同特征。TCR由兩條不同的跨膜肽鏈組成，即TCRα鏈和TCRβ鏈，這兩條鏈通過二硫鍵連接。兩條鏈均包含一個可變（V）區和一個恒定（C）區，這些區域分別與免疫球蛋白的V區和C區顯示出同源性（圖1.2）。然而，TCRα鏈的C區有一個不尋常的折疊模式。與抗體或Cβ區中的β片層三明治結構不同，其中二硫鍵連接兩個β片層，TCRα鏈中的二硫鍵形成螺旋結構，這與其他任何類似免疫球蛋白的結構都不同。在C區旁邊是一個含有半胱氨酸殘基的短鉸鏈區，該殘基形成α鏈和β鏈之間的二硫鍵。最終，每條鏈通過疏水性跨膜區穿過脂質雙層，并以一個短的胞質尾結束。不同尋常的是，跨膜區中含有帶正電荷的氨基酸，這些氨基酸與不變信號鏈CD3和ξ的跨膜區相互作用，從而形成TCR復合物。

●圖1.2 αβTCR的結構：(a) 不同TCR結構域的示意圖和 (b) 以2.5?分辨率解析的αβTCR的晶體結構。CDR環由數字1-3表示。

α鏈和β鏈的V區類似于抗體配對，形成不同TCR之間高度可變的區域。每條鏈包含三個高變環，稱為互補決定區（CDR），這些環位于相對平坦的頂部并構成抗原結合位點。TCR庫的多樣性是通過T細胞成熟過程中α鏈和β鏈多個基因片段的體細胞重組生成的。人類α鏈和β鏈的CDR1和CDR2由42個Vα基因和46個Vβ基因編碼，而CDR3則在α鏈的V-和J-基因片段連接后組裝，或在β鏈的V-、D-和J-基因片段連接后組裝。除了不同基因片段的組合外，多樣性還通過在連接反應中插入P-和N-核苷酸增強。因此，CDR3區域表現出最高的多樣性。這與結構模型一致，即高度可變的CDR3與（同樣高度可變的）肽結合，而相對不太可變的CDR1和CDR2與相對不太可變的MHC分子結合。

MHC結構

主要組織相容性復合體（MHC）最初是在小鼠中被確定為負責移植接受或排斥的基因位點。在近交系小鼠的研究中發現，單個基因位點的差異會導致皮膚移植的快速排斥，因此這些基因被稱為“組織相容性基因”。多個緊密連鎖且高度多態性的基因被證明是組織相容性的主要決定因素，并被概括為主要組織相容性復合體。可以區分兩類MHC，它們表達在不同的細胞類型上，并結合不同類型的肽段。

MHC I類分子表達在所有體細胞上，將胞質中降解的蛋白質衍生的肽段呈遞給 CD8+ T細胞。外來胞質蛋白來源于胞內細菌或病毒，MHC負載肽段的識別會導致感染細胞被殺傷。MHC II類分子表達在更有限的細胞亞群上，主要是與CD4+ T細胞相互作用的抗原提呈細胞。與MHC I類分子不同，它們結合來自胞外抗原的肽段，例如被巨噬細胞吞噬的抗原。CD4+ T細胞的識別會激活B細胞和巨噬細胞。除了上述經典的MHC分子，其表現出高度多態性分布外，還存在多態性變異較少的非經典MHC。

人類MHC I類分子由一個跨膜的重鏈糖蛋白組成，該糖蛋白大約為44kD，一個可溶性蛋白為16kD，稱為β2-微球蛋白（β2m），以及一個由胞質蛋白衍生的8-10個氨基酸殘基組成的肽段。抗原肽的結合位點由重鏈中的兩個α螺旋，即α1和α2結構域，構成一個溶劑暴露的溝槽。α3結構域位于α1和α2之下，并通過其跨膜區域將重鏈連接到質膜。β2m與MHC的結合是通過非共價鍵與重鏈結合實現的。研究表明，肽段與結合溝槽的結合對于維持MHC I類分子的穩定組裝至關重要，這是特異性TCR識別的必要條件。

TCR和pMHC的分子相互作用

TCR與其對應的肽-MHC（pMHC）配體之間的相互作用對于不同類型的細胞間接觸至關重要。如前所述，TCR與pMHC的結合是啟動T細胞效應功能的重要步驟。此外，在胸腺中T細胞發育過程中，TCR/pMHC相互作用通過正選擇和負選擇決定了TCR庫的構成。在外周，TCR與pMHC的接觸對于維持T細胞存活是必需的。晶體學研究揭示了TCR/p/MHC復合物的精確結構，并闡明了病毒抗原識別、激動劑和拮抗劑配體識別以及移植物排斥中的異反應性機制等原理。在1996年首次解析出αβ TCR與其對應pMHC配體的晶體結構后，已生成了相當數量的I類和II類TCR/pMHC復合物數據庫。

不同TCR與pMHC I或pMHC II結合時，TCR/pMHC的方向顯示出輕微的變化，TCR以45°到80°的角度位于pMHC表面之上。方向的差異取決于全局參數，如TCR在pMHC表面上的扭轉、傾斜和位移，Vα和Vβ結構域之間的不同角度以及CDR環的構象和長度。然而，小鼠和人類的TCR/pMHC復合物都具有一種共同的對接模式。TCR的Vα結構域總是位于抗原肽的N端附近，而Vβ結構域則靠近肽的C端。這導致TCR在pMHC表面上呈對角線方向。對角線方向顯然用于在MHC的反平行α螺旋的N端區域之間產生距離，這些區域代表了pMHC表面的最高點。由于TCR表面相對平坦，MHC α螺旋之間的這些高點的結合使得TCR和pMHC之間能夠形成較大的界面。圖1.3展示了假設的αβ TCR/pMHC/CD3εδ/CD3εγ/CD8復合物結構。TCR α鏈和β鏈的CDR2區域僅與MHC分子接觸，而CDR1和CDR3環則同時與MHC分子和肽結合。由于CDR3環表現出最高的多樣性，因此早就懷疑它會與pMHC復合物中最具多樣性的部分——抗原肽結合。后來這一點在大多數結構中得到了驗證，其中位于中心的CDR3環主導了與pMHC復合物的相互作用。

●圖1.3 假設的TCR/pMHC/CD3εδ/CD3εγ/CD8復合體：TCR/pMHC-CD8αα和假定的CD8αβ相互作用是通過疊加兩個結構建模的，即HLA-A2/CD8αα復合體和TCR A6/HLA-A2/Tax P6A復合體在其MHC殘基α1180上，其中TCR（綠色），MHC（深藍色），肽（紅色）和CD8（黃色和橙色）。CD3εδ（粉紅色和藍色）和CD3εγ（金色和藍色）顯示在圖的頂部對接，共同的ε鏈為藍色。線條用于描繪連接不同亞基到TCR細胞膜（頂部，綠色）或抗原呈遞細胞膜（底部，棕色）的系繩。

即使在pMHC表面存在已知的TCR足跡，也無法預測實際接觸的是哪些氨基酸。從TCR/pMHC復合物的晶體結構中得知，有31個氨基酸可能是潛在的結合伙伴。然而，在每個單獨的復合物中，實際上只有大約一半參與了相互作用，并且即使在同一pMHC分子與不同TCR之間的接觸中，這種模式也只保留了一個共同的氨基酸。這種效應是由TCR相對于pMHC復合物的不同取向引起的。目前，根據TCR和pMHC復合物的序列來預測這些全局參數或結合細節是不容易的，盡管在不同結構之間已經發現了共同特征。

MHC復合物中存在保守殘基，但TCR的結合并不保守，這一表觀矛盾促使了不同假說的發展。組合機制理論認為，不同的TCR接觸不同的MHC亞集，因為存在許多不同的保守MHC殘基和許多編碼TCR的不同基因。然而，即使具有相同CDR1和CDR2環的TCR也被證明與MHC分子有不同的相互作用。另一種理論提出，在TCR和MHC共同進化過程中，選擇了一部分能夠進行信號傳導的TCR。任何啟動信號傳導所需的結合模式都會被保留，而不論氨基酸序列如何。有研究者證明，TCR必須與MHC側鏈上的某些“熱點”相互作用，以逃脫胸腺中的陰性選擇。此外，一些pMHC殘基對TCR特異性有貢獻，即使這些側鏈并未對結合親和力產生影響。這些“中斷側鏈”提示了為什么TCR傾向于在給定的pMHC位置結合特定的氨基酸。

TCR對外源抗原的識別僅限于整個肽段的大約1/3，因為MHC結合的肽段其他部分被掩埋，無法與TCR接觸。在某些情況下，TCR在一個相對平坦的表面上與肽側鏈接觸。在其他情況下，肽的殘基被TCR中的一個中央腔所包圍，該腔由Vα和Vβ鏈的CDR3環構成。由于TCR與抗原肽之間的接觸點有限，交叉反應性可能通過同一個TCR結合到同一MHC上的不同肽而發生。使用改變的肽配體（APL），即具有單個氨基酸替換的肽，測試了其對信號傳導結果的影響。研究表明，即使是在不直接參與TCR結合的氨基酸中，肽序列的微小變化也可能將一個強激動劑pMHC配體轉變為弱激動劑或甚至拮抗劑。在3個TCR/APL/MHC復合物的結構研究中觀察到了TCR/肽界面的微小結構變化，也稱為誘導契合。這些變化對外部TCR表面沒有影響，且結構重排的程度與信號傳導結果之間無法建立關聯。這些結果支持了以下建議：TCR結合的緊密性和持續時間，而不是TCR/pMHC復合物中的不同構象，決定了不同的信號傳導結果。

如前文所述，表達外源MHC分子的移植細胞會被免疫系統迅速排斥。這種反應由異反應性T細胞執行，即識別外源MHC的T細胞。值得注意的是，高達10%的外周T細胞參與此類異反應，這一比例與大約1%的外周T細胞對病毒挑戰的正常反應相比，顯得非常顯著。為了解釋這種高反應性，提出了兩種模型。一種解釋是TCR在異反應中主要結合異體MHC分子的多態性和保守殘基。另一種模型則認為，由于異體MHC能夠結合新的自身肽組合，因此會產生許多新的自身肽MHC配體。由于異體MHC在胸腺選擇過程中不存在，T細胞不會因這些新復合物的負選擇而被消除。TCR與異體MHC結合的晶體結構顯示，TCR同時結合肽和MHC復合物，從而支持第二種模型。其他模型也支持這樣的結論，即異體識別的原則與其他TCR反應相似，招募的T細胞頻率較高只是因為產生了新的肽/異體MHC復合物。

TCR復合體的組裝

除了TCR與其對應的pMHC配體之間的相互作用外，還有幾項其他相互作用共同組裝免疫突觸。通過TCR、其共受體CD4或CD8以及額外的信號分子如CD3之間的相互作用，初始化了一個具有信號傳導能力的復合物。下文將總結目前對CD3和CD8在CD8+ T細胞的TCR-配體相互作用中所起作用的認識。

TCR能夠識別并結合其pMHC配體，但不能向細胞傳遞信號。為了實現信號轉導，αβ TCR鏈與6個輔助鏈相關聯，這些輔助鏈稱為CD3信號模塊。δ、ε、γ和ζ亞基通過非共價鍵結合形成ζζ同源二聚體以及異源二聚體CD3εδ和CD3εγ。每個CD3鏈包含一個ITAM（免疫受體酪氨酸激活基序），每個ζ鏈包含三個ITAM，用于細胞內信號轉導。據認為，CD3ε亞基的構象變化對于早期TCR信號事件至關重要。此外，αβ TCR的正常發育及其在細胞表面的穩定表達依賴于CD3成分的存在。圖1.3展示了假設的αβ TCR/pMHC/CD3εδ/CD3εγ/CD8復合物結構。

CD8共受體與pMHC復合物的相互作用是細胞毒性T細胞發育和功能的關鍵步驟。細胞表面表達的CD8可以組裝成同源二聚體CD8αα或異源二聚體CD8αβ。CD8αα與pMHC復合物的晶體結構顯示，CD8同源二聚體以類似抗體的方式結合到MHC分子的α3結構域。確定CD8αβ異源二聚體的晶體結構被證明更為困難。小鼠CD8αα和CD8αβ的Ig樣結構域在大小、形狀和pMHC I結合區域的靜電勢方面相似，表明這兩種CD8變體與pMHC I的相互作用相似。然而，盡管結構相似，CD8αα和CD8αβ在組織分布、配體特異性和抗原提呈效率方面表現出顯著差異。CD8αα廣泛表達，包括αβ TCR+和γδ TCR+腸淋巴細胞、NK細胞和DC細胞，而CD8αβ主要表達在αβ TCR+ T細胞表面，可被視為真正的αβ TCR共受體。CD8αβ對早期T細胞激活的增強作用通過不同的機制介導：① CD8αβ將TCR定位到被認為有利于TCR信號傳導的膜域；② 它招募必需的信號分子到TCR/CD3/ζ復合物的細胞內位點；③ 它在細胞表面穩定TCR-pMHC相互作用約十倍。此外，研究表明CD8影響TCR-pMHC結合的結合速率（kon）和解離速率（koff）。研究顯示這些動力學參數決定了抗原結合在功能水平上的后果，也稱為T細胞親和力。

下期全面認識T細胞親和力。

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