Here, we describe methods that we commonly employ in the laboratory to determine how the nature of the interaction between the T-cell receptor and tumor antigens, presented by human leukocyte antigens, governs T-cell functionality; these methods include protein production, X-ray crystallography, biophysics, and functional T-cell experiments.
Human CD8+ cytotoxic T lymphocytes (CTLs) are known to play an important role in tumor control. In order to carry out this function, the cell surface-expressed T-cell receptor (TCR) must functionally recognize human leukocyte antigen (HLA)-restricted tumor-derived peptides (pHLA). However, we and others have shown that most TCRs bind sub-optimally to tumor antigens. Uncovering the molecular mechanisms that define this poor recognition could aid in the development of new targeted therapies that circumnavigate these shortcomings. Indeed, present therapies that lack this molecular understanding have not been universally effective. Here, we describe methods that we commonly employ in the laboratory to determine how the nature of the interaction between TCRs and pHLA governs T-cell functionality. These methods include the generation of soluble TCRs and pHLA and the use of these reagents for X-ray crystallography, biophysical analysis, and antigen-specific T-cell staining with pHLA multimers. Using these approaches and guided by structural analysis, it is possible to modify the interaction between TCRs and pHLA and to then test how these modifications impact T-cell antigen recognition. These findings have already helped to clarify the mechanism of T-cell recognition of a number of cancer antigens and could direct the development of altered peptides and modified TCRs for new cancer therapies.
وكانت الأشعة السينية البلورات، وستظل، وهي تقنية قوية للغاية لفهم طبيعة التفاعلات يجند مستقبلات. من خلال وضع تصور هذه التفاعلات بالتفصيل الذري، وليس فقط هل من الممكن الكشف عن الآليات الجزيئية التي تحكم العديد من العمليات البيولوجية، ولكن من الممكن أيضا أن يغير مباشرة واجهات الاتصال لفائدة علاجية. إلى جانب تقنيات مثل الرنين مأكل السطح والكالوري المعايرة متساوي الحرارة (على سبيل المثال لا زوجين)، ويمكن بعد هذه التعديلات سيتم تحليلها biophysically لتقييم تأثير مباشر على تقارب ملزمة، حركية التفاعل، والديناميكا الحرارية. وأخيرا، من خلال إجراء التجارب وظيفية على أنواع الخلايا ذات الصلة، صورة مفصلة عن تأثير الجزيئية والوظيفية من التعديلات على التفاعلات مستقبلات يجند يمكن استخلاصها، وتوفير المعلومات الآلية محددة للغاية. عموما، هذه الأنواع من طرق تقديم صورة قرار الذرية تمكين ردع mination لكيفية النظم البيولوجية العمل، مع الآثار المصاحبة للتقدم التشخيصية والعلاجية.
مختبرنا يستخدم بشكل روتيني هذه التقنيات لدراسة المستقبلات التي تتوسط الإنسان مناعة الخلايا التائية لمسببات الأمراض والسرطان، في المناعة الذاتية، وخلال زرع. هنا، ونحن نركز على CD8 + استجابة خلايا T الإنسان بالسرطان، بوساطة التفاعل بين مستقبلات الخلايا التائية (TCR) ومستضد الكريات البيض البشرية (HLA) -restricted الببتيدات المستمدة من الورم (pHLA). هذا مهم جدا لأنه، على الرغم من أن خلايا CD8 + T قادرة على استهداف الخلايا السرطانية، نحن وغيرنا قد أظهرت في وقت سابق ان TCRs المضادة للسرطان ربط الحالات النادرة إلى pHLA المشابهة لها 1، 2. وهكذا، وقد حاول العديد من المختبرات لتغيير إما TCR 3، 4، 5 أو الببتيد يجند 6،الطبقة = "XREF"> 7، 8، وذلك لزيادة المناعة وتحسين الخلايا السرطانية المستهدفة. ومع ذلك، هذه الأساليب ليست فعالة دائما، ويمكن أن يكون لها آثار جانبية خطيرة، بما في ذلك بعيدا عن الهدف السميات 4 و 9 و 10. وإجراء مزيد من البحوث استكشاف الآليات الجزيئية التي تحكم الاعتراف تي خلية من مستضدات السرطان أمرا حيويا للتغلب على هذا النقص.
في هذه الدراسة، وركزنا على ردود ضد خلايا سرطان الجلد ذاتي من قبل خلايا CD8 + T معينة للحصول على جزء من المستضد تمايز الخلايا الصباغية بروتين سكري 100 (GP100)، GP100 280-288، التي قدمها HLA-A * 0201 (الأكثر شيوعا -expressed الطبقة pHLA الإنسان الأول). وقد تم هذا المستضد هدفا درس على نطاق واسع لعلاج مناعي سرطان الجلد، وقد تم تطويره ليصبح ما يسمى الببتيد "heteroclitic" فيه حمض أميني أساسي محل ألانينفي موقف مرساة 9 إلى تحسين pHLA الاستقرار 11. وقد استخدم هذا النهج لتعزيز تحريض CTLs-سرطان الجلد على رد الفعل في المختبر، وقد استخدمت بنجاح في التجارب السريرية 12. ومع ذلك، يمكن إدخال تعديلات على بقايا الببتيد لها آثار لا يمكن التنبؤ بها على خصوصية خلايا T، ويتجلى ذلك في فعالية الفقيرة من معظم الببتيدات heterolitic في العيادة 6 و 13. وبالفعل، شكل heteroclitic آخر من GP100 280-288، الذي بقايا الببتيد تم استبداله باللاعب Glu3 لعلاء، ألغى الاعتراف من قبل السكان بولكلونل من GP100 280-288 خلايا T -specific 14 و 15. لقد أثبتنا سابقا أن حتى تغييرات طفيفة في بقايا الببتيد مرساة يمكن أن يغير إلى حد كبير الاعتراف تي خلية بطرق غير متوقعة 6، 16. وهكذا، ركزت الدراسة على بناءيمكن جي صورة أكثر تفصيلا لكيفية تعترف خلايا CD8 + T GP100 وكيفية إدخال تعديلات على التفاعل بين TCRs وpHLA تؤثر هذه الوظيفة.
هنا، ولدت لنا نقية للغاية، أشكال قابلة للذوبان من اثنين TCRs محددة لGP100 280-288 قدمها HLA-A * 0201 (A2-YLE)، فضلا عن الأشكال الطبيعية وتغير من pHLA. واستخدمت هذه الكواشف لتوليد بلورات البروتين لحل التركيب الذري الثلاثي من TCR البشري في مجمع مع شكل heteroclitic من A2-YLE، فضلا عن اثنين من pHLAs متحولة في شكل unligated. ثم استخدمنا منهج المسح الببتيد لتوضيح تأثير بدائل الببتيد على TCRs عن طريق أداء في عمق التجارب الفيزيائية الحيوية. وأخيرا، فإننا ولدت CD8 + خط تي خلية المعدلة وراثيا، وإعادة برمجتها للتعبير عن واحدة من TCRs A2-مط محددة، من أجل إجراء تجارب وظيفية لاختبار تأثير البيولوجي من مختلف التعديلات الببتيد. وهذه البيانات تظهر أن مودي حتىمواشفات إلى الببتيد المخلفات التي هي خارج عزر ملزمة TCR يمكن أن يكون لا يمكن التنبؤ بها أثره على بقايا الببتيد المجاورة التي تلغي TCR ملزمة والاعتراف تي خلية. وتمثل النتائج التي توصلنا إليها في المثال الأول من الآليات الهيكلية الكامنة وراء الاعتراف تي خلية من هذا الهدف العلاجي مهم لسرطان الجلد.
توفر البروتوكولات المذكورة هنا إطارا لتشريح الجزيئية والخلوية من الاستجابات تي خلية في سياق أي الأمراض التي تصيب البشر. على الرغم من أن سرطان كان التركيز الرئيسي لهذه الدراسة، وقد استخدمنا نهج مشابهة جدا لتحقيق استجابات الخلايا التائية للفيروسات 32، 33، 34، 35، 36، 37 وأثناء المناعة الذاتية 38، 39، 40. وعلاوة على ذلك، وقد استخدمنا هذه التقنيات على نطاق أوسع لفهم مبادئ الجزيئية التي تتحكم خلايا T مستضد الاعتراف 2، 19، 41، 42. في الواقع، وطبيعة لا يمكن التنبؤ بها من تعديلات على الببتيد المخلفات، حتى تلك التيخارج من بقايا الاتصال TCR، والتعرف على الآثار تي خلية آثار هامة لتصميم الببتيدات heteroclitic. وقد ساهمت هذه النتائج مباشرة إلى تطوير علاجات رواية تي خلية، بما في ذلك اللقاحات الببتيد 6 و 43 و الاصطناعية TCRs عالية تقارب 3، 4، 5، 20، 44، وكذلك من وسائل التشخيص المحسنة 45، 46، 47.
الخطوات الحاسمة في البروتوكول
جيل من البروتين النقي للغاية، وظيفية أمر ضروري لجميع الطرق الواردة في هذه الورقة.
التعديلات واستكشاف الأخطاء وإصلاحها
صعوبات في توليد البروتين النقي للغاية تتعلق غالبا للتعبير عن درجة عاليةالبحتة، غير قابلة للذوبان وسطاء من نظام التعبير كولاي. عادة، تعديل بروتوكول التعبير (على سبيل المثال، الأمر الذي أدى إلى كثافة بصرية مختلفة، وذلك باستخدام سلالات مختلفة كولاي، أو باستخدام تشكيلات وسائل الإعلام المختلفة) يحل هذه القضايا.
القيود المفروضة على تقنية
هذه التقنيات تستخدم جزيئات البروتين القابلة للذوبان (TCR وpHLA) التي يتم التعبير عنها عادة على سطح الخلية. وبالتالي، فمن المهم التأكد من أن النتائج الهيكلية / الفيزيائية الحيوية تتفق مع النهج الخلوية لتأكيد الأهمية البيولوجية.
أهمية هذه التقنية فيما يتعلق بأساليب الحالية / البديلة
من خلال استخدام البلورات بالأشعة السينية والفيزياء الحيوية إثباتها من خلال التحليل الوظيفي، نحن وغيرنا قد أظهرت أن TCRs محددة لالحواتم السرطان تتميز عموما الانتماءات الملزمة منخفضة 48. هذا المنخفض TCR تقارب قد تساعد في تفسير سبب ع خلايا Tالبريد يست فعالة بشكل طبيعي في إزالة السرطان. هياكل عالية الدقة الذرية المجمعات بين TCRs المضادة للسرطان ومستضدات الأورام وما شابه ذلك بدأت تكشف عن الأساس الجزيئي لهذا التقارب الضعيف. وعلاوة على ذلك، فإن هذه الدراسات هي مفيدة لتحديد الآليات التي تكمن وراء التدخلات العلاجية المصممة للتغلب على هذه المشكلة، بذر تحسينات في المستقبل 16. في هذه الدراسة، درسنا هيكل الأول من αβTCR التي تحدث بشكل طبيعي في مجمع مع GP100 HLA-A * 0201 المقيدة سرطان الجلد حاتمة. هيكل، جنبا إلى جنب مع دراسة الفيزياء الحيوية في العمق، كشف وضع ملزم العام للتفاعل. نحن أيضا كشفت تبديل غير متوقع الجزيئية، التي وقعت في شكل تحور من الببتيد، التي تلغي TCR ملزمة (تقييمها باستخدام سطح صدى مأكل) وCD8 + T الاعتراف خلايا (التجارب الوظيفية). كان من الممكن فقط لإثبات هذه الآلية الجديدة من presentati المستضد HLAعلى استخدام وسائل عالية الدقة وصفها.
التطبيقات المستقبلية أو الاتجاهات بعد اتقان هذه التقنية
وعموما، نتائجنا تظهر قوة البلورات بالأشعة السينية وطرق الفيزيائية الحيوية عند دمجها مع تحليلات وظيفية قوية. باستخدام هذه الأساليب، فمن الممكن أن تشريح خارج الآليات الجزيئية الدقيقة التي تحكم الاعتراف مستضد الخلايا التائية. والواقع أنه من الممكن أيضا استخدام هذا النهج إلى حل هيكل unligated TCRs، مما يدل على مدى التغييرات متعلق بتكوين يمكن أن تلعب دورا خلال التمييز المستضد 49، 50، 51. لديه فهم أفضل للطبيعة المعقدة للغاية والحيوية التي تقوم عليها التفاعلات TCR-pHLA أيضا آثار واضحة لتصميم العلاج. أن تكون قادرة على مباشرة "رؤية" الجزيئات التي مستهدفون علاجيا، فضلا عن تأثير تلك التعديلات لها على recognitio مستضدن، وتحسين واضح في تطوير هذه الأدوية للمضي قدما. في هذه الدراسة، وتبين لنا أنه حتى التغييرات في بقايا الببتيد واحدة لا تعمل بشكل كبير من قبل TCR يمكن أن تنقل غير متوقع تغييرات هيكلية على المخلفات الأخرى في الببتيد محددة HLA، والتي، بدورها، يغير بشكل كبير الاعتراف تي خلية. وهناك فهم أكثر اكتمالا من الآليات الجزيئية المستخدمة خلال الاعتراف مستضد الخلايا التائية يكون مفيدا بشكل كبير عند تصميم العلاجات المستقبلية لمجموعة واسعة من الأمراض التي تصيب الإنسان.
The authors have nothing to disclose.
ويدعم BM قبل دراسية لبحوث السرطان في بريطانيا الدكتوراه. ويدعم AG قبل دراسية لايف ساينس شبكة البحوث ويلز الدكتوراه. ويدعم VB من قبل دراسية لأبحاث السرطان ويلز الدكتوراه. DKC هو مؤسسة أبحاث زميل التطوير الوظيفي ويلكوم (WT095767). AKS غير محقق ويلكوم ترست. ويتم تمويل GHM من قبل مشتركة شبكة بحوث علوم الحياة ويلز وTenovus رعاية مرضى السرطان دكتوراه دراسية ل. ونحن نشكر الموظفين في الماس مصدر الضوء لتقديم التسهيلات والدعم.
S.O.C. media | Invitrogen |
Orbi-Safe New Orbit incubator | Sanyo |
carbenicillin | Sigma |
IPTG | Fisher |
Quick Coomassie Stain SafeStain | Generon |
Legend RT centrifuge | Sorvall |
Tris | Fisher |
magnesium chloride | Arcos |
NaCl | Fisher |
glycerol | Sigma-Aldrich |
Sonopuls HD 2070 | Bandelin |
DNAse | Fisher |
Triton | Sigma-Aldrich |
EDTA | Fisher |
guanidine | Fisher |
NanoDrop ND1000 | Thermo |
Peptides | Peptide Protein Research |
dithiothreitol | Sigma-Aldrich |
L-arginine | SAFC |
cysteamine | Fisher |
cystamine | Fisher |
dialysis tubing | Sigma-Aldrich |
urea | Sigma-Aldrich |
Metricel 0.45 μm membrane filter | Pall |
POROS 10/100 HQ | Applied biosystems |
ÄKTA pure FPLC system | GE Healthcare Life Sciences |
10 kDa MWCO Vivaspin 20 | Sartorius |
10 kDa MWCO Vivaspin 4 | Sartorius |
Superdex 200 10/300 GL column | GE Healthcare Life Sciences |
Phosphate Buffer Saline | Oxoid |
BIAcore buffer HBS | GE Healthcare Life Sciences |
Biotinylation kit | Avidity |
BIAcore T200 | GE Healthcare Life Sciences |
CM5 chip coupling kit | GE Healthcare Life Sciences |
streptavidin | Sigma-Aldrich |
Microcal VP-ITC | GE Healthcare Life Sciences |
Hepes | Sigma-Aldrich |
Gryphon crystallisation robot | Art Robbins Instruments |
Intelli-plate | Art Robbins Instruments |
Crystallisation screens and reagents | Molecular Dimensions |
75 cm2 flask | Greiner Bio-One |
0.22 μm filters | Miller-GP, Millipore |
Ultra-Clear ultracentrifuge tube | Beckman Coulter |
Optima L-100 XP with SW28 rotor | Beckman Coulter |
CD8 microbeads | Miltenyi Biotec |
anti-CD3/CD28 Dynabeads | Invitrogen |
anti-PE microbeads | Miltenyi Biotec |
CK medium, PHA | Alere Ltd |
anti-TCRVβ mAb | BD |
dasatinib | Axon |
MIP-1β and TNFα ELISA | R&D Systems |
51Cr | PerkinElmer |
1450 Microbeta counter | PerkinElmer |