Sci Immuno丨人类与小鼠 PD-1 的巨大差异

PD-1 （程序性死亡蛋白1） 是一种在免疫细胞表面表达的抑制性受体，它的发现催生了基于 PD-1 的免疫疗法，成为癌症治疗的革命性突破，也因此荣获了 2018 年诺贝尔生理学与医学奖。然而，这种疗法并非对所有癌症患者都有效，只有一小部分患者受益。因此，深入探究 PD-1 的分子机制变得至关重要。现在，我们对 PD-1 的理解大多来源于小鼠模型，假设小鼠和人类的 PD-1 功能相同。但令人惊讶的是，小鼠和人类的 PD-1 仅有 59.6% 的氨基酸序列同一性。那么，这种差异到底意味着什么呢？人类和小鼠的 PD-1 在功能上有多大不同？

最近，加州大学圣迭戈分校 （UCSD） 的惠恩夫（Enfu Hui）、Jack Bui以及中国科学院动物研究所的邹征廷（Zhengting Zou）研究团队，在Science Immunology上发表了题为Functional differences between rodent and human PD-1 linked to evolutionary divergence的文章，揭示了人类与小鼠 PD-1 功能层面的巨大差异。

研究表明，与小鼠的 PD-1 相比，人类 PD-1 在抑制 T 细胞的功能上更为强大。究其原因，人类 PD-1 对配体 （PD-L1 和 PD-L2） 以及胞内效应磷酸酶 SHP2 的结合能力显著强于小鼠 PD-1。作者还发现一个新的 SHP2 结合基序 （binding motif） ，这个基序在灵长类动物和其他脊椎动物中高度保守，但在啮齿类的 PD-1 中却完全丢失。通过分子进化分析，作者进一步揭示，啮齿类的 PD-1 在白垩纪-古近纪界线 （K-Pg boundary） 大灭绝事件后发生了独特的功能弱化。

研究团队首先通过精确的细胞共培养实验发现，不管是在人的细胞体系还是小鼠的细胞体系中，人类的 PD-1 都能比小鼠 PD-1 更有效地抑制 T 细胞激活。接着，团队通过结构域交换实验发现，PD-1 的胞外结构域和胞内结构域在这一功能差异中都起到了关键作用。然后，作者将注意力转向了胞外结构域，利用生物层干涉法 （biolayer interferometry） 、共聚焦显微成像 （confocal imaging） 和全内反射荧光显微成像 （TIRF imaging） 等生物物理技术，发现人类 PD-1 在与配体 （PD-L1 和 PD-L2） 结合时，能力远远强于小鼠的 PD-1。接下来，作者聚焦于胞内结构域，利用 TIRF 成像和荧光共振能量转移 （FRET） 实验，进一步证明人类 PD-1 与效应磷酸酶 SHP2 的结合能力也比小鼠的 PD-1 强。通过点突变实验，作者揭示了一个关键发现：人类 PD-1 中的一个 SHP2 结合稳定化基序 （PEQ，脯氨酸-谷氨酸-谷氨酰胺） 在小鼠 PD-1 中完全丢失。

在体内实验中，作者利用过继性转移 （adoptive transfer） 实验发现，PD-1 胞内结构域的人源化导致小鼠的 CD8+ T 细胞丧失抗肿瘤能力，甚至获得了促肿瘤的作用。通过流式细胞术 （flow cytometry） 和单细胞 RNA 测序 （single-cell RNA sequencing） ，作者发现，小鼠PD-1 胞内结构域的人源化不仅显著减少了肿瘤内 CD8+ T 细胞的数量，还降低了类干细胞前体耗竭 T 细胞 （Tpex） 的分化能力，从而减少了肿瘤中效应性 T 细胞的数量。

最后，作者从进化生物学的角度，追溯人类与小鼠 PD-1 差异的起源。通过构建系统发育树，他们发现，除了啮齿类，所有脊椎动物的 PD-1 中都保留了PEQ或类似的 SHP2 结合稳定化基序，而在啮齿类 PD-1中这个基序却完全丢失。利用 PD-1 选择检验、祖先序列重建以及湿实验功能验证，作者发现，灵长类和啮齿类的共同祖先曾拥有类似于人类的 PD-1序列，但在 6600 万年前的 K-Pg 边界大灭绝事件后，啮齿类的祖先丢失了 SHP2 结合稳定化基序 PEQ，导致PD-1功能的弱化。此后，啮齿类 PD-1发生了进一步的功能弱化。而灵长类的 PD-1 则在漫长的进化过程中始终保持着其分子特性和活性。

总的来说，这项研究不仅证明了人类与小鼠 PD-1 在功能上的显著差异，还揭示了啮齿类 PD-1 功能弱化的分子机制。这一发现进一步指出了小鼠模型在研究人类免疫学中的局限性，也为建立更精确的临床前动物模型提供了重要的理论依据。

加州大学的 Takeya Masubuchi 博士为本文的第一作者，邹征廷、Jack Bui 和惠恩夫博士为共同通讯作者，合作者还包括 NIH 的吴船 （Chuan Wu） 团队和 UCSD 的 Gerald Morris、陈栩 （Xu Chen ） 、Stephen Hedrick 和 Li-Fan Lu 团队。

https://doi.org/10.1126/sciimmunol.ads6295

制版人：十一

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