中科大金腾川团队发现SARS-CoV-2 Spike Y453F变异株通过表位突变逃逸CD8+ T细胞免疫的分子机制
2024年8月5日，中国科学技术大学金腾川团队在Journal of biological chemistry 杂志在线发表题为“Structural insights into immune escape at killer T cell epitope by SARS-CoV-2 Spike Y453F variants”的研究性论文。
由主要组织相容性复合体（MHC，在人类中又被称为HLA）和T细胞受体（TCR）介导的CD8+ T细胞免疫在提供免疫记忆和抗病毒感染中起着关键作用。SARS-CoV-2变异株对现有疫苗的保护效力构成了严重挑战。目前，虽然大量与CD8+ T细胞免疫逃逸相关的新冠突变已经被报道，但大多数突变对表位特异性TCR识别的分子效应仍未被探索。在本研究中，我们以HLA-A24限制性NYN 表位（Spike448-456：NYNYLYRLF）为例，探究了表位突变对抗原提成复合物形成的影响。作者发现在该表位上存在四个自然突变，分别是N450K、L452Q、L452R 和Y453F。研究结果表明，这些突变对细胞表面HLA呈递表位的影响很小，但却显著降低了肽-HLA（pHLA）与NYN肽特异性TCR之间的亲和力，尤其是L452R和Y453F突变。此外，作者还解析了负载Y453F肽（NYNYLFRLF）的Y453F-HLA-A24、以及负载野生型肽（NYNYLYRLF）的TCRNYN-I-NYN-HLA-A24三元复合物的晶体结构。结构分析表明，尽管HLA能有效呈递Y453F突变肽，但由于突变肽与表位特异性TCR之间的相互作用减少，破坏了TCR-pMHC抗原复合物的形成，继而逃避CD8+ T 细胞免疫，这是病毒实现细胞免疫逃逸所使用的有效策略之一。
作者通过SPR发现，NYN表位突变降低了其pHLA和特异性TCR之间的亲和力，尤其是L452R和Y453F突变，显著削弱甚至废除了TCR: pHLA之间的相互作用（图1A-F）。此外，尺寸排阻色谱（SEC）的结果表明TCRNYN-I、TCRNYN-II能够与WT-HLA、N450K-HLA和L452Q-HLA形成复合物，但却不能与L452R-HLA和Y453F-HLA突变体蛋白形成TCR-pHLA复合物（图1G-H）。这些结果表明，与L452R和Y453F突变不同，在平均水平上，N450K和L452Q突变是可耐受的。TCR: pHLA相互作用的急剧减少使得肽特异性CD8+ T细胞的TCR受体对L452R和Y453F突变肽的识别效率大大降低，这也与L452R和Y453F显性变异株在逃避HLA-A24限制性细胞免疫中的作用相一致。
图1. L452R和Y453F突变导致TCR: pHLA相互作用显著降低
然后，作者解析了负载Y453F突变肽（NYNYLFRLF）的Y453F-HLA-A24晶体结构。与之前所解析的装载野生型肽的NYN-HLA-A24结构相比，Y453F突变肽的构象发生了巨大的变化（图2A-C）。有趣的是，与野生型肽相比，Y453F肽与HLA-A24螺旋形成了更多的氢键相互作用（图2D-E）。不仅如此，与WT-HLA相比，L452R-HLA和Y453F-HLA突变体蛋白表现出更高的稳定性（图2F）。这与先前一些研究中所提出的MHC-I类分子与某些突变肽结合减少或消除相反，该结果表明L452R和Y453F突变实际上促进了多肽与HLA-A24抗原结合槽的稳定结合。
图2. Y453F-HLA-A24与WT-HLA-A24的晶体结构分析
为了深入了解NYN特异性TCR识别的分子基础，作者进一步解析了TCRNYN-I-NYN-HLA-A24（NYNYLYRLF）三元
合物的晶体结构。结构分析表明，TCRNYN-I通过CDR1α和CDR3α与肽的N端建立接触，而CDR3β环主要与C端建立接触（图3A）。TCRNYN-I与NYN肽之间的接触是由CDR1α和CDR3介导的，其中CDR1α、CDR3α和CDR3β分别贡献了32%、27%和41%（图3B）。其中，多肽的P4-Tyr、P5-Leu、P6-Tyr和P7-Arg残基在TCRNYN-I结合过程中发生了构象转移（图3C）。对NYN肽与CDR结合的进一步分析显示，P4-Tyr、P6-Tyr和P7-Arg分别占相互作用的39%、27%和21%，证实了这些残基对TCR识别的重要性（图3D）。其中，P4-Tyr和P7-Arg主要与CDR1α和CDR3β相互作用，分别在结合界面锚定肽的N端和C端（图3E）。主要的焦点是P6-Tyr，CDR1α、CDR3α和CDR3β均与该肽残基形成了广泛接触（图3F）。Y453F-HLA-A24与TCRNYN-I-NYN-HLA-A24复合物的结构比对显示，Y453F变体中的疏水苯丙氨酸可能破坏了原始酪氨酸与TCRNYN-I的接触网络，包括其与CDR之间形成的原始氢键（图3F）。这些结构数据阐明了表位内的显性突变，包括Y453F和L452R，如何破坏CDR环和肽之间的相互作用，进而导致TCRNYN-I T细胞失去识别。
图3. TCRNYN-I与NYN多肽之间的相互作用分析
该工作验证了致病性病毒（SARS-CoV-2）逃避宿主CD8+ T细胞免疫反应的策略。虽然在某些变异中，病毒宿主细胞进入、抗原加工和表位呈递不受影响，但由于突变导致多肽的细微构象变化减少甚至废除了由TCR识别所介导的CD8+ T细胞活化。该研究丰富了我们对病毒突变及其进化驱动力的理解，可能有助于指导未来针对SARS-CoV-2和其他病毒性病原体的疫苗设计和治疗干预。
该工作得到了中科院先导基金、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金及中央高校基础研究项目的支持。
