T细胞活化的动力学模型

生省物理学报第十七卷第三期二一年九月ACTA BIOPHYSICA SINICA Vol 17 No. 3 Sept 200研究论文T细胞活化的动力学模型张伟,杨先清,溱安慎(北京师范大学物理系,北京100875)摘要:T表面DGs( detergent- insoluble glycolipid- enriched domains)在綸胞活化过程中的作用正成为研究的热点问题,为了证实受发的TCR( T cell receptor)向DG中聚集的重要性,以及PTKs( protein tyrosin kinases)参与T细胞活化信号转导的机制,提出了一个定性的理论檨型,在TCRs的连续触发模塑基础上,研究了T蛔胞活化平期TCR与其特异性配体的相互作用机钥,及辅勵受体CD4/CD8在辋胞膜上“竟疲突触”形咸过程中的作用,解释了不同耽体对最终T蛔鹿活化站果的彩响。研究表明,TCR与配体的结合亲和力、TCR与配体复合物的离解奉、以及辅助受体间的相互作用是T细皰的活化过程中的重要参教,对于一定的T缃胞克隆,其特异性配体与其TCR-pep复合物的高解阜,决定了这一配体究竞是显效剂抑或是描扰剂。辅助受体CD4/CD8奏与识别配体的同时,又可以通过它与TCR-pep复合物的相互作用,改善配体对T蛔胞刺澉信号的强度,彩响最终的活化蛄蒹。通过模型,证明了TCR与配体复合物在DG中的聚集是舞胞活化的重要事件,DG中的PTKs保诬了活化信号的转导。关调:亲和力;TCR;DIGs;PTK中分类号:0414.2文獻标识码:A文章编号:1000-6737(2001)03-0449-081生物背景T细胞的活化、分化与增殖需要TCR与其配体一MHC/pep复合物的特异结合。TCRcD3与辅助受体CD4/CD8共同担负起对MHC/pep复合物的识别作用。TCR特异识别MHC/pep后,最早期的信号转导事件就是 ITAMs( immune receptor tyrosine- based activation motif,)酪氨酸残基的磷酸化,这一步在T细胞的活化过程中起着至关重要的作用,它是TCR与下游深层次信号过程联系的桥梁。目前所知,至少有两种Src家族的PTKs参与了的 ITAMs I的磷酸化,Lck(在一定条件下需要Fyn的帮助)介导了这一过程。磷酸化了的LTAMs为ZAP-70(syk家族的激酶)上的SH2( Src homology-2)区提供了高亲和力的结合位点,使得ZAP-70向TCR/CD3募集,并通过自磷酸化和依赖Lck的磷酸化机制得以活化。随后,ZAP-70的底物通过其他信号分子的SH2区依次介导他们的定位和活化2l。细胞表面DIGs的发现以及对其中信号蛋白质含量的测定,使我们对受体介导的信号过程中PTKs的补充有了新的认识。TCR被配体触发后可观察到的早期事件就是PTKs的磷酸化。实验表明,DIG中不仅含有大量T细胞活化所需的Src家族略氨酸激酶和zap-70,TCR的激发还大大增加了DG区PTKs的含量,而DIG分布的降低或者其特异结合蛋白表达的不足则会影响T细胞的信号转收稿日:2000-11-10蔷金项目:国家自然科学基金资助项目(30070216)作者筒介:张伟,1975年生硕士,电话:(010)62204581,E- mail: zwbrTYH中国煤化工CNMHG450生物物理学报2001年导抑制T细胞的免疫应答。这表明DG在受体介导的细胞活化过程中起重要作用,并提供了一种新的可能:TCR在与配体结合后,迅速和DGs相联系,因此使DIGs中丰富的Src家族PTKs能够接近 TCR/CD3般认为,CD4和CD8辅助受体是通过与交连着TCR的MHC/pep中的MHC相互作用将CD4或CD8相连的Lck提供给 TCR/CD3复合物,有助于 ITAMs I的磷酸化。然而,最近的一些研究表明,Lck连结的辅助受体的一个重要功能可能是提高了TCR-MHC/pep的亲和力,以维持这一原本很短暂的相互作用6。辅助受体以及和抗原提呈细胞粘附微区的附属分子的的聚合作用,最近被证明是TCR介导的信号级连反应中的关键事件。显而易见,这信号分子聚集的结构保证了TCR-pep/MHC的相互作用第二信使和结合分子的集中,同时排斥了像CD45等有负调节作用的大分子。更为有趣的是,CD4不仅定位于DG内“,而且与MHC作用会发生囊集作用"。Ziv等"曾经报道过TCR-MHC/pep的少量聚集作用,并讨论了CD4/CD8可能促进了这一过程。在这些实验与理论的基础上,我们建立了自已的模型,通过讨论受体介导的T细胞表面分子的变构及活化信号的转导过程,为来自不同渠道的实验结果提供一个统一的解释。2模型与假设在连续触发模型中,一个配体可以先后触发多个TCR:配体与TCR交连后,又迅速与其分离去和另一个TCR交连,但是被触发过的TCR由于变构作用,无论其是否活化,都无法交连第二个配体。我们进一步考虑细胞表面TCR的秦合作用,網述T细胞活化机制及其应答反应如下所示:M+RC+C1←C2R+C2=C2在上面的模型中:1)首先,TCR与MHC/pep以很低的亲和力k特异结合,形成TCR-MHC/pep复合物C。此时,CD4/CD8的辅助受体作用尚未表现TCR与MHC/pep形成的复合物C尚孤独的处于液相的膜区,没有与DIGs建立任何联系。Lck无法对CD3上ITAMs发生作用,TCR信号过程滞留在TCR/CD3部分,未向下转导。此时TCR-MHC/pep中的TCRs没有活性记作R2)随后,CD4/CD8与TCR-MHC/pep中MHC的不变区相联,稳定复合物的同时,在T细胞及APC上众多信号分子和粘附分子的共同作用下,拖动C进入并禁侧在DIGs形成C1-处于DGs内的TCR-MHC/pep复合物在此过程中,Fyn可能起到了很重要的作用。现在,Lck才可以接近 ITAMs并充分发挥其PTKs活性。磷酸化后 ITAMs通过SH2激活ZAP-70,并进一步激活更多的信号分子,保证信号转导过程顺利进行。此时TCR-MHC/pep中的TCRs已经活化记作R*。3)接着,又有新的C在CD4/中国煤化工CNMHG第3期T细胞活化的动力学模型45CD8的作用下进入DGs,与别的C1在T细胞表面形成TCR-配体的二聚物C204)进一步生成TCR-配体的三聚体复合物C3。在细胞表面形成更高秩序的聚合物的可能性也是存在的,出于模型简单的目的,我们只考虑到三个TCR-配体聚合的情况。为使模型简化,做以下假设:1)一且TCR与MHC/pep配体交联,无论其活化与否,都将发生形态变构,无法第二次被配体结合。2)在C0,C1,C2,C3上,MHC/pep与TCR的离解率km均相同;同时,在C2,C中,每个TCR-pep/MHC都以同等几率发生离解。因此,TCR(R或R)从C0,C1,C2,C3的离解率分别为km,km,2k,3km3)各种高价复合物都是由其次价复合物和C相互作用得到,即不考虑2个C1形成C2和C1,C2形成C3的情况。这样每种低价复合物同几率k的和C形成其相应高价复合物。同样的,考虑到各种信号抑制分子的存在,各种高价复合物以等几率k退化为其相邻低价复合物和C。4)在细胞激活过程中,MHC/pep的总量不发生改变。5)在T细胞活化过程,CD45对PTKs活性的作用是双向的0:即除了CD45对PTKs激酶活性的正作用以外,对于负调节作用,用速率常数d表示R·向R的退化。考虑关于配体的守恒,有M=M"+C+C1+2C2+3C3(M'为游离的配体,M为配体总量),得到方程:dt -kam(M -- 2C 2-3C,R+k&cotdr+gR(1-T)(1)dR=-k(C1+2C2+3C3)-dRdCo_-k(M.-Co-C1-2C 2-3C,)R-ka(Co+ CCo+ CCo)+ka(Ci+ C2+ C3)(3)dtdCi=k(Ca-CCo)+k(Ca-Ci)+ka(2C2-Ch)(4)dCi=k-CC-CCo)+k(C -C))+k (3C -2c2(5)dC=kCC-kC3-3△C式(1)中kMR=-k(M1-C0-C1-2C2-3C3)R表示游离配体与静息TCR的相互作用,即形成复合物C0的过程;kaC表示静息TCR与配体复合物迅速分解,此时的TCR没有发生变构;dR‘表示活化的TCR在CD45等的负调节作用下,退化为静息受体;在T细胞活化过程中,细胞表面受体会发生降解作用叫,上面引用了罗杰斯规律描写TCR的增长,g是自然增长率,T是每个T细胞表面TCR的总量(包括R*和R),数量级大致在1012,这里我们取值为3×10。式(2)中第一项表示T细胞受体分别从C1,C2,C3高解,由于C1,C2,C3都处于DIGs中,此时离解出的的TCR已被充分酪氨酸磷酸化,是活化的R*;第二项对应式(1)中的第三项表示R向R的退化。式(3)中第一项对应于式(1)第一项表示复合物C的产生;第二项表示了C0在CD4/CD8及其他表面因子作用下进DGs产生C1,及分别和C1,C2作用产生C2,C3的过程,这是C的消耗过程An°★出翻中的影中国煤化工CNMHG452生物物理学报2001年响;第三项是第二项的逆过程,我们假设k和km在DGs内外有着相同的影响。式(4)中knC,kC2,kx2C2代表C1的增量,分别表示C进人DlGs,C1从C2中分离退出,以及TCR与C2解离作用对C1的贡献;同样,kC1C,k=C1,kmC1表示C1的消耗,分别代表了CC1作用生成C2,C1分离退出DGs,及TCR与C1发生离解作用。和(4)式一样,式(5)式(6)相应各项分别表示三种不同过程对C2和C3增减的影响在可溶性条件下,不考虑CD4/CD8的辅助作用,TCR与显效配体有着极低的结合亲和力以及高离解率(km=~0.02s1)3,因此复合物的寿命很短。低亲和力与短寿命为连续触发提供了可能,事实上,一个MHC/pep复合物甚至可以触发~200个TCRs。由于CD4与DIGs的相互作用的相关报道较少,对于km,k参数的选取,可依据的实验数据有限,我们采用参数扫描的方法,在满足生物条件的前提下,估计k的取值范围在101~10s2,而k。不是模型的敏感参量我们取值为02s。采用 Perelson的估算方法确定丸。取值范围10~10s1。考虑外周的生物背景,我们取g=1×10s1,d=1×10s-23结果在进行数值计算之前,我们对方程的定态进行稳定性分析,在M=0时,得到方程的稳定定态解(T,0,0,0,0,0)。这表明在没有抗原刺激的情况下,T细胞处于稳定的静息状态。利用本文模型可以对几种实验结果作出统一的解释。为方便起见,如无特别说明,将一个T细胞上的TCR总数做归一处理,即以下各图中的纵轴均表示有关量占TCR总数的百分比,10MHC/pep的单位是 molec/um2,即每平方微米80APC表面上的分子数。31模型可以解释少数抗原激活T细胞的问题最近的研究表明,能够激活T细胞的MHC/pep的浓度可以在很大范围内变化,很低浓度的0MHC/pep也可以导致TCR的大幅度下调,而达到T细胞活化所需的鯛值(TCR下调吗2)。从AHC-pep我们的模型中可以看到,TCR下调随配体的变Fg.1 The number of ligands affects化,在很低配体浓度下也可以导致大量的 TCR immune response. A few ligands are下调(图1),甚至1.0 molec/.pm2的抗原配体就 nough to activate a t cell能导致大约80%的TCR下调,和 Valitutti i等(k=50,bm=5×10's,km=202)人实验结果吻合。32T细胞对抗原的识别是非常敏锐的,细胞对抗原的应答不仅和TCR配体的浓度相关更取决于是什么配体和TCR结合。不同的离解率表示了不同配体种类,指定了抗原也就固定了他于特定T细胞克隆表面受体的k如,在同一配体浓度下,不同k的配体将导致不同程度的细胞应答。km是最终应答产物的决定因素之一。能够激活T细胞的km应该有一定的范围。当k太大时,TCR-MHC/pep的半衰期t2相对就短复合物迅速解体没有机会在辅助受体的帮助下进入DIGs,也就不能为R‘的上调做出贡献。当km太小时,TCR-MHC/pep的半衰期t2相对就长,虽然形成的复合物可以进人DIGs激活TCR.但是小离解率大中国煤化工CNMHG第3期T细胞活化的动力学模型大降低了每个配体可以触发的TCR数目,不利于细胞活化。因此,只有少数配体才可以在09低浓度下激活T细胞(图2),这是与实验相符着不同的km,相应形成的TCR- MHC/pep肴,的16。由于相同抗原配体对不同TCR受体有0.10着不同的半衰期,也就产生不同的应答结果这也许是相同抗原对不同T细胞系,分别表现0.010.1为拮抗剂、半显效剂和显效剂的可能机制。1/k(s)3.3丸对细胞应答有着的重要影响。当配体rg,2 Only a few ligands with specific与TCR的结合亲和力很强时,他们有着很高的 king in a range can be recognized by结合几率,在相同的配体浓度下,有更多的配体 specific TCRs.. No ligands whose kin同时与细胞表面的TCR结合,可以传导给T细 with the TCRs is out of the range can胞更强大的信号,相反则只能以微弱的信号刺activate thet cell, even the number of激细胞。kn的增加,使可以激活细胞的最低配ligands is enough(ko=20.8s, kn=体浓度大幅下降(图3),但并不影响细胞应答对x10-s1,M=0.6mol/pm2)km的依赖(数据未给出),并不能把拮抗剂变成显效剂34辅助受体CD4/CD8在细胞应答中起着重要作用,没有CD4CD8的参与,即便对于显效剂细胞应答也处于极低的水平,无法保证细胞的正常激活。k的增加可以大大降低细胞激活的最低配体浓度(数据未列出),与km的影响不同的是,它同时也改变了应答对km的依赖作用从图4中我们可以看到,对于特定的T细胞克隆及指定抗原配体(km),增大k。明显增加了活化TCR(R·)的百分含量。同时随着k的增加,每个配体触发激活T细胞受体的数目也大大增加了,这不仅表现在同浓度抗原能够获得的最大活化TCR浓度的增加,也反映在TCR- MHC/ pep复合物的结合时间的降傌(k的增加)。更为有趣的是,伴随着k的增加,对于同一细胞系,能够激活T细胞的配体种类大大增加了,这反映在相同抗原浓度下,能5×103k。=20.8=6×10·000L0.010.10.1MHC-pep1/k(s)FIg 3 The affinity between TCR and lig. Flg. 4 Co-receptors affect the immune re-and affects the immune response. The limit sponse. For given TCRs, the kun between lig-ligand number that can activate the t cell and and TCR changes obviously when ka, thereduces while ku increases(k=88, ku= affinity between ligand and CD4/ CD8, alters20.0-1)(kx=1中国煤化工CNMHG生物物理学报001年够达到TCR下调8000的km范围的增加。它甚至可以把抗剂转变成显效剂, vignali"等人的实验证明了这一点。4讨论由于配体与TCR的结合亲和力kn、复合物的离解率km和辅助受体的作用k都决定于特定的配体与特定TCR相互作用,在细胞应答的早期过程中,km,km,k。共同作用,决定了细胞对不同种类配体的应答。从我们的模型可以看到,km是一个重要的参量,它不仅决定了TCR识别配体的特异性,也为配体的连续触发提供了条件,决定了TCR与配体的最终作用结果。CD4CD8在T细胞活化过程中的作用应当引起我们更多的注意,它不仅参与TCR对配体的识别,还参与了刺激信号的胞内转导。由于辅助受体与MHC的相互作用,抗原提呈细胞的细小变化,也将直接影响信号转导的最终结果CD/CD8通过和MHC/pep的相互作用,巩固了原本脆弱的TCR-配体交连,影响T细胞对配体识别。同时,通过对TCR-配体复合物间离解率的影响-这可能来自于APC的变化,以及与直接相连的P56*直接参与了胞内信号转导。与CD4CD8相连的PTK很可能在信号转导过程中起到了关键作用。另外,它还可能通过直接和TCR的相互作用以及CD4/CD8跨膜分子间的作用,并在其它表面因子的协助下保证了TCR-pep/MHC复合物在DGs中的聚集。CD4/CD8分子间的相互作用机制,还尚待讨论。模型还解决了T细胞活化过程中,PTKs的补充问题。T细胞表面的DGs中含有大量的蛋白酪氨酸激酶包括在信号转导早期起重要作用的Src、Syk家族 PTKs, TCR-配体复合物向DIGs中的集聚,为刺激信号与向下转导所需的大量PTK建立了联系,同时,这种集聚作用还把CD45等对信号转导有负调节作用大分子排斥在了DG之外,保证了信号的正常下传。在DGs内,刺激信号首先激活了与 TCR-CD3及CD4/CD8直接相连的酪氨酸激酪,并通过CD3分子上的TAMs与更多的PTKs发生联系",使信号级联放大,并最终实现T细胞的活化增殖。TCR触发导致的细胞活化过程是一个重要而又复杂的过程,对活化早期细胞表面TCR与配体相互作用的正确认识,将有助于对整个活化进程的全面理解。我们的工作还只做到DG中形成三个TCR-MHC/pep复合物的状况,得到一些初步的结果。事实上,在T细胞活化过程中,在APC与TCR的相互作用中,在膜上一个“免疫突触”中可能包含了上百个TCR-MHC/pep复合物,它们在特定膜区域移动聚集,以加强信号转导。对于确定这个免疫突触形成的完整机制以及这个免疫突触是否是以一个整体参与免疫应答,一个免疫突触中所包合的TCR- ligand数目等等问题还需要大量研究工作来回答。中国煤化工CNMHG第3期T细胞活化的动力学模型455参考文獻:[11 Cardenas ME, Heitman J, Role of Calcium in T-Lymphocyte Activation, Adcances in Second Messengerand Phosphoprotein Reserch(MI. 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The function of the co-receptors during theformation of the immuological synapse and the recognition of the antigen by the TCRis investigated It is theoreticallythat subtle changes of ligands would influencethe outcomes of t cell receptorUsing this model, it isshown thae accessaffinity of TCR with ligand, the ligand dissociation rate from TCR-pep complex andthe co-receptors play important roles in determining the outcomes of T cell activationWith respect to the certain ligand and certain t cell clone, the dissociation rate determines the ligand agonist or antagonist. In addition, through the interaction of CD4CD8 with TCR-MHC/ pep, the co-receptors change the dissociation rate of thecomplexes and consequently affect the outcomes of the immune response. The modelproved that the oligomer of tcr-pep/MHC complexes in the digs is important whilethe sufficient PTKs within diGs assure the signal transductionKey Words: Affir中国煤化工CNMHG