TCR指导的肿瘤抗原发现-以非小细胞肺癌TCR抗原发现为例

背景

发表于2021年Immunity的Global analysis of shared T cell specificities in human non-small cell lung cancer enables HLA inference and antigen discovery一文,提供了一种新颖的肿瘤抗原发现之路。

抗原的多组学检测往往是肿瘤新抗原发现的主要路径,而从T细胞受体测序数据入手找肿瘤抗原则是该文新颖之处:

新颖点在于:肿瘤新生抗原发现是以TILs的TCR反向寻找抗原。

此法的核心步骤是合成TCR蛋白多聚体,从pMHC突变肽酵母表面展示文库中筛选抗原。在此,我们就详细展开整个过程,主要分3个阶段:

  1. TCR测序数据收集、分析、验证
  2. HLA-A*02:01突变肽酵母表面展示库筛选抗原
  3. 验证抗原特异性T细胞的特性

关键TCR来自数据挖掘

TCR数据从来自178个患者的TCR测序(含PBMC和TILs细胞),获得778,938种TCRbeta链 CDR3序列。从这个宝藏中,通过4步信息分析筛选获得了TIL中克隆扩增性的TCR,且证明了该TCR具有HLA-A:02:01患者特异性。

从一种TCR入手,精准定位到限定的HLA类型,本文贡献了一套非常有价值的一套生信方法,能够帮助研究者快速剔除无关HLA。本文非常推荐读者详细阅读其通过TCR挑选HLA的套路。

单独的TCRbeta链测序不足以获得完整的TCR蛋白结构,因此使用单细胞TCR测序再次验证前述TCR结果,定位出关键TCR命名为TCR2,并获得TCR2的完整氨基酸链序列,以此合成TCR蛋白多聚体、构建TCR Jurkat T。该TCR具有如下特征:

1、 该TCR是肿瘤浸润淋巴细胞特异性的;

2、 具有TCR克隆扩张性

3、 被两种TCR测序方法鉴定

4、 从TCR抗原注释数据库VDJdb中,未能发现对应抗原

pMHC突变肽酵母表面展示库筛选抗原

用TCR2蛋白及其多聚体做诱饵,在HLA-A:02:01突变肽酵母表面展示库筛选抗原,该库含有10的7次方种肽段,肽段长度范围为8-11个氨基酸。

经过4轮筛选,最终筛得3种多肽具有被TCR2富集的特征。

筛选获得TCR2富集的多肽为肿瘤相关抗原TMEM161A、EBV病毒抗原LMP2、大肠杆菌肠杆菌素。

通过HLA-A:02:01突变肽酵母表面展示库筛选有如下几个优点:

1、 HLA-A:02:01涉及的人群占比在15%,是HLA类型中人群分布较广的类型,该HLA捕获的肽具有更广泛的适用性;

2、 同时捕获到肿瘤、病毒、细菌抗原,对于肿瘤免疫抗原的筛选范围有充分扩充;

3、 这些抗原来自于特定TCR捕获。TCR-T的特征就是该抗原所发挥免疫原性时对T细胞的活化特性。

新发现抗原及其特异性T细胞的组织分布特性

肿瘤相关抗原TMEM161A在癌组织表达高于癌旁组织,经TCGA数据库验证一致。

TEME161A-HLA-A*02:01荧光四聚体检测非小细胞肺癌患者TILs,发现阳性率占40%;

该TCR克隆非小细胞肺癌多于腺癌,该特征与TEME161A的组织分布一致

TEME161A-HLA-A*02:01特异性T细胞主要是effector T cell。

关于交叉反应

TCR2的抗原筛选同时发现了3种来源迥异的抗原,那么这三种抗原是否具有交叉激活特性呢?

通过TEME161A-HLA-A02:01、EBV病毒LMP2-HLA-A02:01、大肠杆菌肠杆菌素-HLA-A*02:01 荧光四聚体检测TCR2 修饰的Jurkat-T细胞发现,3种四聚体均检测均为阳性。

然而,当改变TCR2的a链后,3种抗原对TCR2 Jurkat-T细胞的激活效应均全部消失。

此外,比较3种抗原刺激TCR2 Jurkat-T细胞后对肿瘤细胞T2的杀伤效果判断,EBV病毒抗原四聚体、大肠杆菌肠杆菌素的刺激杀伤效果强于TEME161A。

启示

传统发现肿瘤新抗原是需要经历重重风险。从转录组、蛋白质组、外显子组、宏基因组测序数据中,经历组学检测、大量多肽刺激、T细胞验证,才有可能筛选到一种T细胞抗原。然而,即便如此,体内此抗原的TCR克隆分布特点却未必与肿瘤进展相关。

但是,换个角度来看,从TILs变化最大的TCR入手寻找抗原,可以直接发现肿瘤免疫相应最强烈的靶抗原,既全面又便捷。随着单细胞TCR测序的普遍流行,直接发现肿瘤抗原的数据和技术将快速发展。

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