通过相互作用能计算与残基相关性分析解析工程化T细胞受体在癌症免疫治疗中的亲和力增强机制

这篇研究通过分子动力学模拟、MM/PBSA结合能计算和自由能微扰(FEP)等技术，深入解析了工程化TCR（c796）相较于亲本TCR（c728）对pMHC复合物亲和力提升6倍的结构基础。研究发现这种增强并非直接源于βCDR1区的保守突变（E31D），而是通过近端和远端残基的动态互作及变构通路实现的。该工作为基于动态特性的TCR理性设计提供了新思路，对优化癌症免疫治疗策略具有重要意义。

　　

工程化TCR在癌症免疫治疗中的应用前景

T细胞受体（TCR）工程化改造是当前癌症免疫治疗领域的重要策略。通过修饰TCR使其特异性识别肿瘤相关抗原，为实体瘤治疗提供了新思路。然而临床应用中仍面临诸多挑战，包括反应率不足、脱靶毒性和肿瘤微环境免疫抑制等。深入理解TCR与主要组织相容性复合物（MHC）相互作用的分子机制，对设计高特异性TCR至关重要。

分子动力学模拟揭示结构动态特性

研究以天然TCR（c728）及其亲和力增强变体（c796）为模型，二者仅在βCDR1区存在一个保守突变（E31D）。通过3组各1μs的分子动力学模拟，发现c796 TCR在游离状态下表现出更低的构象柔性，特别是αCDR1和αCDR3环区。这种预组织的构象可能降低结合时的熵罚，为亲和力增强奠定基础。

结合能计算验证实验观察

MM/PBSA计算显示，考虑全部库仑和Lennard-Jones相互作用时，工程化TCR与pMHC的结合能比亲本TCR低55kJ/mol（晶体结构）至288kJ/mol（MD轨迹），与实验观察到的6倍亲和力提升一致。自由能微扰（FEP）计算进一步证实这一趋势（ΔΔG_b^eng-par=-3.7±2.01kJ/mol）。值得注意的是，扩大采样至8个独立重复后，结合能差异降至更合理的39.5kJ/mol，凸显充分采样的重要性。

关键残基相互作用网络分析

通过残基特异性能量分解发现，βCDR1-H30、βCDR2-E53和βCDR3-D98等残基在工程化TCR中与pMHC形成更强的相互作用。有趣的是，突变位点βCDR1-E31/D31本身并不直接贡献结合能差异，而是通过变构效应影响远端残基。例如：

• βCDR2-E53与HLA-A*02:01的R76/R83形成更稳定的盐桥

• βCDR3-D98新增与H152的氢键相互作用

• αCDR1-R29与E59形成瞬态盐桥

变构通路的发现与验证

广义相关性分析揭示了从突变位点到关键结合残基的变构通路：

1. βCDR1-E31/D31→βCDR2-E53路径（权重<0.2）

2. 至βCDR3-D98的两条独立路径（权重≈0.23-0.27）

3. 跨越α/β链的变构网络（至αCDR3-R98，权重≈0.19-0.24）

这些发现表明，单个保守突变可通过复杂变构网络影响20-25?外的结合界面，为理性设计提供了新靶点。

研究意义与展望

该工作建立了整合分子模拟与能量分析的标准化流程，可用于：

1. 预测影响TCR-pMHC亲和力的关键残基

2. 识别潜在的变构调控位点

3. 指导最小化改造实现最大亲和力提升

   未来结合人工智能预测与实验验证，有望加速开发高特异性、低毒性的下一代TCR疗法。特别值得注意的是，该方法可扩展到评估TCR与健康组织pMHC的交叉反应性，为降低免疫治疗毒性提供理论依据。