10月2日，国际学术期刊Molecular Cell在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）许琛琦研究组联合中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所施小山研究组与上海科技大学王皞鹏研究组的最新研究成果："Lipid-regulated phosphorylation hierarchy of the T cell receptor tyrosine motifs"。研究团队利用核磁共振、定量质谱、生化和细胞实验，解析了TCR-CD3复合物中关键信号亚基CD3ζ的胞内区结构以及磷酸化规律，揭示了脂质与正电基序（Basic residue Rich Sequence, BRS）静电相互作用在其中的关键调控机制，同时提出CD3ζ磷酸化不充分是T细胞功能耗竭的诱因之一。
T细胞的活化依赖其表面T细胞受体（TCR）对抗原的精准识别及后续信号传递。TCR信号如何实现“精准启动”与“功能多样性”，是免疫学领域的核心科学问题之一。TCR结构复杂，由抗原识别亚基TCRαβ和三个信号亚基CD3εδ、CD3εγ和CD3ζζ构成。这些CD3信号链的胞内区共含有10个免疫受体酪氨酸活化基序（ITAM），对应20个可磷酸化的酪氨酸位点。这些位点如何通过差异磷酸化编码特异性抗原信号，仍是未解之谜。尽管近期多项冷冻电镜研究报道了TCR-CD3复合体结构，但由于CD3胞内区无序且高度动态，其构象信息仍严重缺失。因此，解析该区域的结构与功能，对完整理解TCR介导的免疫应答至关重要。
CD3ζζ同源二聚体是TCR-CD3复合物的关键信号亚基，其每条胞内区含有3个ITAM，由此贡献了TCR中60%的可磷酸化酪氨酸位点。为攻克CD3ζ胞内区“无序且动态”带来的结构解析难题，研究团队采用模拟生理膜酸性磷脂环境的脂质双分子层（bicelle）系统，结合溶液核磁共振技术，成功解析了CD3ζ胞内信号区的动态构象。结构分析表明，CD3ζ的3个ITAM基序呈现从N端到C端的膜插入梯度：N端的ITAM1膜插入程度最浅，ITAM2居中，ITAM3最深。值得注意的是，ITAM的膜插入水平主要由其邻近的BRS与脂质的相互作用调控，而非ITAM自身序列。这一发现明确了CD3ζITAM结构异质性的分子基础。
为探究ITAM膜插入差异的功能影响，研究团队利用新型靶向定量质谱等技术分析了其磷酸化模式。发现在酸性脂质环境中，ITAM磷酸化效率与其膜插入深度呈负相关，即膜插入最浅的ITAM1最易被LCK激酶接触，故磷酸化最快，形成从N端到C端的顺序磷酸化；此顺序在中性脂质环境或BRS突变体中均消失，证明“BRS-lipid”的静电相互作用是CD3ζ顺序磷酸化的核心驱动因素。
研究团队进一步探究了慢性TCR刺激（模拟肿瘤微环境或慢性感染）对CD3ζ磷酸化的影响。结果表明： CD3ζ的磷酸化模式在T细胞耗竭过程中发生显著改变——C端的ITAM3的磷酸化衰减速度远快于N端的ITAM1，致使细胞中积累大量“部分磷酸化”的CD3ζ，进而引发TCR信号不足。该发现为T细胞耗竭机制提供了新解释：即除了“外在的”免疫检查点分子（如PD-1、LAG3等）外，“内在的”TCR自身的磷酸化不足也是T细胞功能异常的重要原因。在多种人类肿瘤中，这种信号衰减与T细胞耗竭密切相关。
综上所述，该研究通过生物物理学、生物化学和免疫学的多学科交叉，解析了CD3ζ胞内区在生理酸性膜环境中的动态结构，阐明了静电调控的ITAM顺序磷酸化规律，揭示了T细胞耗竭的新机制，为免疫治疗提供了新思路。
值得一提的是，许琛琦团队和合作者的前期研究发现，正电基序BRS存在于70%的人类单跨膜蛋白，其中包括重要的免疫受体TCR、BCR、CD28、LAG3、PD-L1、IL7R等。这些免疫受体可以结合不同信号分子形成近膜静电调控网络，发挥各种功能（Shi et al., Nat Rev Immunol 2024），包括调控免疫受体的磷酸化、泛素化、液液相分离、机械信号转导等过程。（详细内容见https://xulab.sibcb.ac.cn/，代表性论文包括Cell 2008, Nature 2013, Cell Res 2017, Nat Struc Mol Biol 2017, Cell 2020, Immunity 2024，Cell 2025等。）本研究中揭示的BRS-lipid静电相互作用调控CD3ζ顺序磷酸化的新机制进一步完善了近膜静电网络调控机制，为人工设计免疫受体提供了新理念。
分子细胞卓越中心许琛琦研究员、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所施小山研究员以及上海科技大学王皞鹏研究员为该论文的共同通讯作者。分子细胞卓越中心李华副研究员、孟丽博士、深圳先进技术研究院褚纯博士、分子细胞科学卓越创新中心李昌庭、杨皓晨为该论文的共同第一作者。该项工作获得国家自然科学基金、科技部、中国科学院、上海市科委以及科学探索奖、尚思探索学者基金会的项目资助，该研究得到分子细胞卓越中心分子生物学技术平台，蛋白质科学研究（上海）设施核磁共振系统，深圳合成生物研究重大科技基础设施和深圳合成生物学创新研究院公共技术平台提供的技术支持和协助。
文章链接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(25)00746-4
CD3ζ信号区的膜结合结构及其磷酸化层级性
该论文被选为封面故事：六孔长笛象征含六个酪氨酸磷酸化位点的CD3ζ。正如不同的笛子孔位组合可产生各种音调，不同的CD3ζ磷酸化组合也能产生多样化的信号输出，从而决定抗原免疫应答的特异性。封面插画由许琛琦研究组的张雨萌同学创作。
