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Sci Immuno丨人类与小鼠 PD-1 的巨大差异

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PD-1 (程序性死亡蛋白1) 是一种在免疫细胞表面表达的抑制性受体,它的发现催生了基于 PD-1 的免疫疗法,成为癌症治疗的革命性突破,也因此荣获了 2018 年诺贝尔生理学与医学奖。然而,这种疗法并非对所有癌症患者都有效,只有一小部分患者受益。因此,深入探究 PD-1 的分子机制变得至关重要。现在,我们对 PD-1 的理解大多来源于小鼠模型,假设小鼠和人类的 PD-1 功能相同。但令人惊讶的是,小鼠和人类的 PD-1 仅有 59.6% 的氨基酸序列同一性。那么,这种差异到底意味着什么呢?人类和小鼠的 PD-1 在功能上有多大不同?

最近,加州大学圣迭戈分校 (UCSD) 的惠恩夫(Enfu Hui)、Jack Bui以及中国科学院动物研究所的邹征廷(Zhengting Zou)研究团队,在Science Immunology上发表了题为Functional differences between rodent and human PD-1 linked to evolutionary divergence的文章,揭示了人类与小鼠 PD-1 功能层面的巨大差异。

研究表明,与小鼠的 PD-1 相比,人类 PD-1 在抑制 T 细胞的功能上更为强大。究其原因,人类 PD-1 对配体 (PD-L1 和 PD-L2) 以及胞内效应磷酸酶 SHP2 的结合能力显著强于小鼠 PD-1。作者还发现一个新的 SHP2 结合基序 (binding motif) ,这个基序在灵长类动物和其他脊椎动物中高度保守,但在啮齿类的 PD-1 中却完全丢失。通过分子进化分析,作者进一步揭示,啮齿类的 PD-1 在白垩纪-古近纪界线 (K-Pg boundary) 大灭绝事件后发生了独特的功能弱化。

研究团队首先通过精确的细胞共培养实验发现,不管是在人的细胞体系还是小鼠的细胞体系中,人类的 PD-1 都能比小鼠 PD-1 更有效地抑制 T 细胞激活。接着,团队通过结构域交换实验发现,PD-1 的胞外结构域和胞内结构域在这一功能差异中都起到了关键作用。然后,作者将注意力转向了胞外结构域,利用生物层干涉法 (biolayer interferometry) 、共聚焦显微成像 (confocal imaging) 和全内反射荧光显微成像 (TIRF imaging) 等生物物理技术,发现人类 PD-1 在与配体 (PD-L1 和 PD-L2) 结合时,能力远远强于小鼠的 PD-1。接下来,作者聚焦于胞内结构域,利用 TIRF 成像和荧光共振能量转移 (FRET) 实验,进一步证明人类 PD-1 与效应磷酸酶 SHP2 的结合能力也比小鼠的 PD-1 强。通过点突变实验,作者揭示了一个关键发现:人类 PD-1 中的一个 SHP2 结合稳定化基序 (PEQ,脯氨酸-谷氨酸-谷氨酰胺) 在小鼠 PD-1 中完全丢失。

在体内实验中,作者利用过继性转移 (adoptive transfer) 实验发现,PD-1 胞内结构域的人源化导致小鼠的 CD8+ T 细胞丧失抗肿瘤能力,甚至获得了促肿瘤的作用。通过流式细胞术 (flow cytometry) 和单细胞 RNA 测序 (single-cell RNA sequencing) ,作者发现,小鼠PD-1 胞内结构域的人源化不仅显著减少了肿瘤内 CD8+ T 细胞的数量,还降低了类干细胞前体耗竭 T 细胞 (Tpex) 的分化能力,从而减少了肿瘤中效应性 T 细胞的数量。

最后,作者从进化生物学的角度,追溯人类与小鼠 PD-1 差异的起源。通过构建系统发育树,他们发现,除了啮齿类,所有脊椎动物的 PD-1 中都保留了PEQ或类似的 SHP2 结合稳定化基序,而在啮齿类 PD-1中这个基序却完全丢失。利用 PD-1 选择检验、祖先序列重建以及湿实验功能验证,作者发现,灵长类和啮齿类的共同祖先曾拥有类似于人类的 PD-1序列,但在 6600 万年前的 K-Pg 边界大灭绝事件后,啮齿类的祖先丢失了 SHP2 结合稳定化基序 PEQ,导致PD-1功能的弱化。此后,啮齿类 PD-1发生了进一步的功能弱化。而灵长类的 PD-1 则在漫长的进化过程中始终保持着其分子特性和活性。

总的来说,这项研究不仅证明了人类与小鼠 PD-1 在功能上的显著差异,还揭示了啮齿类 PD-1 功能弱化的分子机制。这一发现进一步指出了小鼠模型在研究人类免疫学中的局限性,也为建立更精确的临床前动物模型提供了重要的理论依据。

加州大学的 Takeya Masubuchi 博士为本文的第一作者,邹征廷、Jack Bui 和惠恩夫博士为共同通讯作者,合作者还包括 NIH 的吴船 (Chuan Wu) 团队和 UCSD 的 Gerald Morris、陈栩 (Xu Chen ) 、Stephen Hedrick 和 Li-Fan Lu 团队。

https://doi.org/10.1126/sciimmunol.ads6295

制版人:十一

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