HLA-A2限制性CD8+T细胞受体库对SARS-CoV-2抗原漂移的广谱识别潜力

《Nature Communications》：Resistance potential of the HLA-A2-restricted immunodominant SARS-CoV-2-specific CD8+ T cell receptor repertoire to antigenic drift

为解决SARS-CoV-2变异株免疫逃逸的难题，研究人员系统评估了HLA-A2限制性CD8+T细胞受体（TCR）库对免疫显性表位COV-S-082（YLQPRTFLL）所有单点突变的识别能力。研究发现，疫苗诱导的TCR库对80%的突变空间具有广谱识别能力，但存在对R5位点突变的识别盲区。令人惊喜的是，该盲区可由初始T细胞库中独特的TCR填补。该研究揭示了TCR库的互补性在抵抗抗原漂移中的关键作用，为设计下一代广谱疫苗提供了理论依据。

　　

随着新冠病毒（SARS-CoV-2）的持续变异，其免疫逃逸能力不断增强，对全球公共卫生构成了严峻挑战。尽管T细胞在控制病毒感染和预防重症方面发挥着关键作用，但关于T细胞能否有效识别不断变异的病毒，以及其识别能力的广度究竟如何，一直是免疫学领域亟待回答的核心问题。为了填补这一知识空白，来自宾夕法尼亚大学Michael J. Malone、Chao Huang等研究团队在《Nature Communications》上发表了一项重要研究，系统揭示了HLA-A2限制性CD8⁺T细胞受体（TCR）库对SARS-CoV-2免疫显性表位所有可能突变的广谱识别潜力。

关键技术方法

本研究整合了多组学与功能验证技术。研究人员首先利用DNA条形码标记的pMHC（肽-主要组织相容性复合体）四聚体技术（TetTCR-SeqHD），对接种疫苗前后的HLA-A*02:01阳性供体的外周血单个核细胞（PBMC）进行单细胞测序，以高分辨率解析抗原特异性T细胞的表型、TCR序列及其对应表位。随后，他们构建了包含免疫显性表位COV-S-082所有可能单点突变的改变肽配体（APL）文库，通过体外转导构建的TCR转基因细胞系，系统评估了每个TCR对突变空间的识别能力，即“TCR指纹”。此外，研究还结合了分子动力学（MD）模拟分析TCR-pMHC相互作用的结构基础，并利用Nur77-GFP报告系统验证了TCR的功能活性。

研究结果

HLA-A2限制性CD8⁺T细胞主要靶向保守的刺突蛋白表位

研究人员首先对SARS-CoV-2变异株的刺突蛋白序列进行了分析，发现免疫显性CD8⁺T细胞靶点上的突变负担极低。基于此，他们构建了一个包含62种刺突蛋白和21种对照pMHC四聚体的文库，用于分选疫苗接种前后的抗原特异性CD8⁺T细胞。结果显示，疫苗接种后，靶向刺突蛋白的T细胞频率显著升高。与预期一致，T细胞主要靶向保守的表位，且绝大多数为疫苗诱导的新生免疫反应，而非预先存在的免疫细胞扩增。

CD8⁺T细胞对HLA-A2限制性表位的反应具有公共性、免疫显性和多样性

研究聚焦于一个HLA-A02:01限制性的保守表位COV-S-082（YLQPRTFLL），该表位在疫苗接种后表现出强烈的免疫显性，在15名HLA-A02:01阳性供体中，有14名产生了针对该表位的克隆性反应。令人惊讶的是，这种强烈的公共优势伴随着高度的TCR多克隆性。通过TCR距离分析，研究人员将TCR聚类为不同的“社区”（communities），这些社区通常由来自不同供体的、不重叠的CDR3、V和J基因组成。进一步分析发现，TCRβ基因的使用多样性显著高于TCRα，提示TCRα（特别是TRAV12的普遍使用）在COV-S-082识别中可能具有潜在的重要性。此外，COV-S-082特异性T细胞在表型上也表现出高度的可塑性，更倾向于存在于记忆区室中，这为抵抗突破性感染提供了重要的免疫记忆储备。

TCR指纹分析揭示了疫苗诱导的CD8⁺T细胞受体库具有高度的突变覆盖能力

为了评估TCR库对病毒突变的识别广度，研究人员构建了包含COV-S-082表位所有可能单点突变的APL文库，并对20个来自不同TCR社区的COV-S-082特异性TCR进行了“指纹”分析。结果显示，TCR的交叉反应性（promiscuity）远高于此前报道的水平，单个TCR能够识别多个突变。当将这20个TCR的识别能力整合后，发现它们能够覆盖80%的总突变空间，包括一些在晚期COVID-19患者中报道过的免疫逃逸突变。值得注意的是，TCR的交叉反应性与其对野生型表位的结合强度呈正相关，但一些结合较弱的TCR能够覆盖强结合TCR所遗漏的突变，这强调了通过集体合作而非个体强度来最大化突变覆盖的重要性。

疫苗诱导TCR的结构分析揭示了一个限制突变覆盖的关键氨基酸残基

为了从结构上解释TCR的识别模式，研究人员对SVAR-14 TCR与HLA-A*02:01:COV-S-082复合物进行了分子动力学（MD）模拟。结构分析证实了TCR指纹数据中的许多发现。例如，TCR对Y1、L2和L9位点突变的普遍耐受性，是因为这些残基主要与MHC发生疏水作用，而非与TCR直接接触。更重要的是，模拟结果显示，R5残基通过多个氢键与TCRα和TCRβ发生异源接触，形成了一个稳定的构象，表明R5在抗原识别中至关重要。与此一致，TCR指纹图谱显示，R5位点的突变覆盖率极低，提示该残基可能是疫苗诱导TCR库识别的“基石”（keystone）。此外，F7和L8残基靠近TCRβ，但相互作用不持久，这与TCRβ的高度多样性相结合，可能赋予了TCR库在识别这些位点突变时更高的灵活性和覆盖能力。

疫苗诱导的TCR库中的缺口可由初始库通过独特的TCR特征填补

研究人员对R5位点突变识别能力的缺失特别感兴趣。为了探究这一“盲区”是否能够被填补，他们从2020年之前（疫苗初始）的供体中体外扩增T细胞，并成功分离出能够识别R5突变肽的T细胞。对这些TCR进行测序和指纹分析发现，它们与疫苗诱导的COV-S-082特异性TCR截然不同，且不依赖于TRAV12的使用。这些R5突变特异性TCR能够识别疫苗诱导TCR库所遗漏的12个独特突变，极大地扩展了突变覆盖范围。分子动力学模拟进一步揭示，R5突变特异性TCR（如SVAR-92）的识别机制主要依赖于TCRβ，这与SVAR-14 TCR主要依赖TCRα识别R5的机制完全不同。功能验证实验表明，这些TCR-pMHC相互作用能够有效激活T细胞，下调CD3表达，并诱导Nur77-GFP报告基因的表达，证实了其生物学功能。

目前流行的COV-S-082突变可由疫苗诱导或初始TCR库覆盖

最后，研究人员评估了当前流行的SARS-CoV-2变异株中COV-S-082的突变情况。他们发现，P4L、R5S、T5I和P4S等突变出现的频率较高。通过绘制本研究评估的23个TCR对这些突变的结合强度图谱，研究人员观察到，每个突变都至少能被一个TCR识别。这表明，尽管这些突变可能逃逸部分TCR的识别，但TCR库作为一个整体，通过其互补性，能够有效覆盖当前流行的主要突变。

研究结论与讨论

本研究系统揭示了HLA-A2限制性CD8⁺T细胞受体库对SARS-CoV-2免疫显性表位抗原漂移的广谱识别潜力。研究证实，尽管疫苗诱导的TCR库对COV-S-082表位表现出强烈的免疫显性，但其内部具有高度的多样性和互补性，能够覆盖80%的突变空间。然而，该库对R5位点突变的识别存在一个“盲区”，这主要是由于疫苗诱导的TCR库高度依赖TRAV12基因，其识别模式对R5残基的构象有严格要求。令人振奋的是，这一“盲区”可以被初始T细胞库中独特的、不依赖TRAV12的TCR所填补。

这一发现具有重要的理论和实践意义。首先，它揭示了TCR库的互补性在抵抗病毒免疫逃逸中的关键作用，即通过整合不同来源（疫苗诱导和初始）的TCR，可以实现对突变空间的更全面覆盖。其次，它提示我们，当前疫苗策略可能未能有效动员初始T细胞库中的某些保护性TCR。因此，通过改进疫苗设计，例如引入特定的突变表位，来主动招募这些初始TCR，有望构建更强大的、能够预测并抵抗未来病毒逃逸的免疫屏障。这一研究框架不仅为理解SARS-CoV-2免疫应答提供了新视角，也为开发针对其他病毒甚至癌症的下一代T细胞免疫疗法提供了蓝图。