北大吴云东课题组JMC∣理论计算策略优化T细胞受体（TCR）稳定性，助力筛选高亲和力TCR

英文原题：Structure-Based Rational and General Strategy for Stabilizing Single-Chain T-Cell Receptors to Enhance Affinity

通讯作者：吴云东（北京大学深圳研究生院/深圳湾实验室）、吴显辉（天目湖健康研究院）

作者：Jia-Ling Zou（邹佳伶）, Kai-Xiang Chen（陈凯翔）, Xiao-Juan Wang（王晓娟）, Zheng-Chang Lu（陆正昌）, Xian-Hui Wu（吴显辉）*, and Yun-Dong Wu（吴云东）*

背景介绍

T细胞受体（T-cell Receptor, TCR）作为一种生物大分子，常被用于发展免疫细胞治疗产品和大分子蛋白药物，如全球进度最快的TCR-T免疫细胞疗法Afami-cel，用于治疗晚期滑膜肉瘤，已获得FDA优先审查资格；全球第一款TCR蛋白药物Kimmtrak，已于2022年获批上市，用于治疗“不可切除或转移性葡萄膜黑色素瘤”。与此同时，全球多款TCR-T疗法/TCR蛋白药物处于临床试验阶段，TCR疗法正变得愈发火热。

尽管TCR的成药性已得到初步验证，在药物开发过程中，尚有多个技术痛点、难点缺少有效且成熟的技术方案。其中一大挑战是αβ-TCR（由α链和β链组成的异源二聚体）和scTCR（通过Linker连接Vα和Vβ两个可变区的单链TCR）的体外稳定性差，不经过改造几乎难以表达、复性，这不仅限制了体外药物开发、工艺生产，在满足体内成药性方面，也面临诸多挑战。提高TCR稳定性，将有助于进一步的亲和力优化、特异性筛选等药物发现工作，同时拓展相关疗法的进一步开发。

北京大学深圳研究生院理论计算化学与药物设计重点实验室吴云东院士团队联合江苏溧阳天目湖健康研究院在Journal of Medicinal Chemistry 杂志以“Supplementary Cover”发表研究论文，发展理论计算策略，系统定义了TCR可变区（Variable domain）上远离抗原结合区——互补决定区（Complementarity-determining Regions, CDR）的多个“保守结构特征（Structural Motifs）”，并结合氨基酸序列保守性和蛋白结构偏好性进行序列设计与优化，以此提高scTCR的稳定性。经稳定性改造后的scTCR，可用于体外药物开发、支持工艺生产，同时也优化了体内成药性的相关指标。

文章亮点

1. 系统定义TCR可变区结构特征。按照免疫球蛋白家族的惯例，以TCR可变区上Cys23-Cys104 (IMGT编码方式) 形成的保守且稳定的二硫键为界限，远离决定亲和力及特异性的CDR区，针对下方骨架区定义了多个结构保守、序列多变的结构特征。如Scheme 1所示，这些结构特征包括了两个Type Ⅱ β-turn; 一个3个氨基酸长度的α-helix; 5个处于可变区-恒定区界面的氨基酸以及7个偏好疏水相互作用、偏好β-strand且协同变化的Covariation sites (具体定义策略参见论文原文Figure 1)。

Scheme 1. TCR可变区结构示意图。(a) αβ-TCR三维结构示意图 (PDB ID: 2BNQ)。(b) scTCR三维结构示意图 (AlphaFold2预测)。(c, d) TCR 可变区结构域三维及二维示意图，蓝色五角星为V-C Interface，红色实心圆圈为Covariation sites, 绿色β_AB及β_CC`为type Ⅱ的β turn，红色圆筒为α-helix。

2. 针对保守结构特征进行序列优化，提高TCR可变区稳定性。从蛋白质折叠的角度，这些结构保守、序列多变的结构特征，对TCR可变区的稳定性有重要影响。团队结合序列保守性和特定位置的局部氨基酸残基偏好性，开发了一套针对TCR可变区稳定性的半定量优化方法（论文原文Table 1），用于scTCR稳定性的优化。多个不同序列的scTCR，经过改造之后，相比野生型scTCR序列，可通过包涵体复性获得较高的复性成功率，且scTCR对靶点pMHC的结合亲和力，与对应的ɑβ-TCR完全可比（Table 1）。

上述理论与实验结果初步验证了该优化策略的实用性与合理性。为了进一步拓展TCR/scTCR的药物可开发性，解决TCR疗法领域亲和力优化的难点和痛点，该团队利用噬菌体筛选技术，完成多个亲和力水平的scTCR构建、表达。并尝试将这些位于CDR、提高亲和力的有效突变平移到对应的αβ-TCR上，实验结果表明：从μM级到pM级的scTCR，都有稳定性提高、亲和力与对应αβ-TCR保持一致的能力（Table 2）。

综上所述，作者针对TCR可变区蛋白家族，系统定义了多个保守结构特征区域，并结合序列保守性和保守结构残基偏好性建立稳定性优化策略，对结构特征区域进行改造设计，显著提升了多个不同序列组成的scTCR的蛋白稳定性，基于此，优化得到多个亲和力水平的scTCR，并保持与对应αβ-TCR一致的结合亲和力。该优化策略大大拓展了scTCR领域的研究体系基础，同时为TCR蛋白高亲和力筛选提供了合理可行的解决方案，在TCR疗法领域有一定应用意义。

本工作第一作者为北京大学深圳研究生院博士生邹佳伶，北京大学深圳研究生院/深圳湾实验室吴云东院士为第一通讯作者，天目湖健康研究院吴显辉研究员为共同通讯作者，同时感谢天目湖健康研究院陈凯翔博士、王晓娟博士及陆正昌博士的帮助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Structure-Based Rational and General Strategy for Stabilizing Single-Chain T-Cell Receptors to Enhance Affinity

Jia-Ling Zou, Kai-Xiang Chen, Xiao-Juan Wang, Zheng-Chang Lu, Xian-Hui Wu*, and Yun-Dong Wu*

J. Med. Chem. 2024, 67, 9, 7635–7646

Publication Date: April 25, 2024

https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.4c00503 

Copyright © 2024 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）