T細胞作為適應性免疫的關鍵角色，其激活依賴T細胞受體（TCR）對遞呈抗原的精準識別與信號傳遞。這一過程的異常不僅會導致免疫缺陷，還與腫瘤免疫逃逸、慢性感染中T細胞耗竭密切相關。長期以來，TCR信號如何實現(xiàn)“精準啟動”與“功能多樣性”一直是免疫領域的關鍵科學問題。作為抗原受體，TCR的核心功能在于將多樣的胞外抗原刺激信號轉化為胞內信號，從而指導精確的T細胞免疫程序。它由一個抗原識別亞基TCRαβ和三個信號亞基CD3εδ、CD3εγ和CD3ζζ構成，其中四種CD3信號鏈的胞內區(qū)共含有10個免疫受體酪氨酸活化基序（Immunoreceptor activation tyrosine-based motif,ITAM），即20個可磷酸化的酪氨酸位點。這些位點如何通過磷酸化組合產(chǎn)生特異性的抗原信號，仍然是免疫學中的未解之謎。近期，多項冷凍電鏡研究報道了TCR-CD3復合體結構，然而CD3胞內信號區(qū)信息由于其無序性和高度動態(tài)性而缺失。因此，填補這一知識空白對于完整地理解抗原免疫應答至關重要。
2025年10月2日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所施小山課題組、中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心許琛琦課題組與上?？萍即髮W王皞鵬課題組合作，在Molecular Cell雜志上發(fā)表了題為“Lipid-regulated phosphorylation hierarchy of the T cell receptor tyrosine motifs”的封面研究論文。該研究利用核磁共振、定量質譜和細胞實驗，解析了TCR-CD3復合物中關鍵信號亞基CD3ζ的胞內區(qū)結構以及磷酸化規(guī)律，揭示了正電基序（Basic residue Rich Sequence,BRS）與脂質相互作用在其中的關鍵調控機制，同時提出CD3ζ磷酸化不充分是T細胞功能耗竭的誘因之一，為合成免疫受體的理性設計提供了新思路。
CD3ζζ同源二聚體是TCR-CD3復合物的主要信號亞基，每條CD3ζ的胞內區(qū)含有3個ITAM，由此貢獻了TCR中60%的可磷酸化酪氨酸位點。CD3ζ胞內區(qū)一直被用作嵌合抗原受體（CAR）的固定模塊，啟動其信號級聯(lián)反應。為攻克“無序且動態(tài)”的CD3ζ胞內區(qū)在結構解析上的技術難題，研究團隊采用模擬生理膜酸性磷脂環(huán)境的脂質雙分子層（bicelle）系統(tǒng)，結合溶液核磁共振（NMR）技術，成功解析了CD3ζ胞內信號區(qū)的動態(tài)結構。CD3ζ的3個ITAM基序呈現(xiàn)“N端到C端梯度膜插入”的異質性——N端的ITAM1膜插入程度最淺，中間的ITAM2膜插入程度居中，而C端的ITAM3膜插入程度最深。值得注意的是，ITAM的膜插入水平主要由其鄰近的BRS與脂質的相互作用調控，而非由ITAM自身序列決定。這一發(fā)現(xiàn)明確了CD3ζ ITAM結構異質性的分子基礎。
結構的異質性往往對應功能的特異性，研究團隊進一步探究了ITAM膜插入差異對其磷酸化的影響。利用新型靶向定量質譜等技術，研究團隊發(fā)現(xiàn)了脂質依賴的磷酸化順序：在酸性脂質存在時，CD3ζ的3個ITAM呈現(xiàn)N端到C端的“順序磷酸化”——ITAM1磷酸化最快，ITAM2次之，ITAM3最慢；而在中性脂質環(huán)境中，這種順序性完全消失。這一結果表明，脂質通過調控ITAM的膜插入深度，直接決定了其被LCK激酶（TCR信號關鍵激酶）磷酸化的效率：膜插入淺的ITAM更易被激酶接觸，磷酸化更快；反之則更慢。為進一步驗證這一機制，研究團隊突變了CD3ζ的BRS基序，破壞ITAM的膜插入梯度，磷酸化的順序性也隨之瓦解。這些結果證實了“BRS-lipid”的靜電相互作用是CD3ζ順序磷酸化的核心驅動因素。
TCR信號的精準調控不僅關乎生理免疫應答，更與病理狀態(tài)（如腫瘤、慢性感染）下的T細胞耗竭密切相關。研究團隊進一步探究了慢性TCR刺激（模擬腫瘤微環(huán)境或慢性感染）對CD3ζ磷酸化的影響。結果表明：T細胞在耗竭過程中CD3ζ的磷酸化模式發(fā)生顯著改變——C端的ITAM3的磷酸化衰減速度遠快于N端的ITAM1，這導致細胞中積累大量“部分磷酸化”的CD3ζ，進而引發(fā)TCR信號不足。慢性刺激過程中ATP耗竭是這一異常的關鍵原因，因為ATP不足使得膜插入程度高的酪氨酸不容易獲得磷酸化。這一發(fā)現(xiàn)為T細胞耗竭機制提供了新解釋：即除了免疫檢查點分子（如PD-1、LAG3等）外，TCR自身的磷酸化不足也是T細胞功能異常的重要原因。在多種人類腫瘤中，T細胞耗竭與TCR信號不足具有明確的相關性。
綜上所述，該研究通過生物物理學、生物化學和免疫學的多學科交叉，解析了CD3ζ胞內區(qū)在生理酸性膜環(huán)境中的動態(tài)結構，闡明了靜電調控的ITAM的順序磷酸化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了T細胞耗竭的新機制，為免疫治療提供了新思路。
中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所施小山研究員、中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心許琛琦研究員以及上?？萍即髮W王皞鵬研究員為該論文的共同通訊作者。分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心李華副研究員、孟麗博士、深圳先進技術研究院褚純博士、分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心李昌庭、楊皓晨為該論文的共同第一作者。本研究獲得了深圳合成生物研究重大科技基礎設施和深圳合成生物學創(chuàng)新研究院公共技術平臺提供的技術支持，特別是質譜平臺在數(shù)據(jù)采集過程中的專業(yè)支撐。
該論文被選為封面故事：六孔長笛象征含六個酪氨酸磷酸化位點的CD3ζ。正如不同的笛子孔位組合可產(chǎn)生各種音調，不同的CD3ζ磷酸化組合也能產(chǎn)生多樣化的信號輸出，從而決定抗原免疫應答的特異性。封面插畫由許琛琦課題組的張雨萌同學創(chuàng)作。
文章上線截圖
原文鏈接：https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(25)00746-4
圖1 CD3ζ信號區(qū)的膜結合結構及其磷酸化層級性
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