T细胞激活受到严格正负调控，以实现适应性免疫应答。负调过甚倾向于免疫耐受，影响宿主对病原体以及肿瘤的防御和免疫监视；反之，T细胞过度激活则是许多自身免疫性疾病的诱因。T细胞共刺激分子 (例如CD28和ICOS) 以及共抑制分子 (又名免疫检查点例如CTLA-4和PD-1等)，作为受体正负调节T细胞的活化以及免疫平衡。这些受体的配体包括B7 家族分子CD80，CD86 (结合CD28以及CTLA-4)，ICOSL (结合ICOS) ，以及PD-L1和PD-L2 (结合PD-1)。
PD-L1在肿瘤以及免疫系统被诱导广泛表达，而PD-L2表达主要限制于抗原呈递细胞。近年来单克隆抗体阻断PD-1或CTLA-4与其配体的相互作用在癌症免疫领域带来了巨大突破。自身免疫性疾病治疗方面，CTLA-4受体模拟物 (CTLA-4-Fc) 抑制CD28 共刺激信号已在过去的二十多年里用于治疗某些自身免疫性疾病。同时，PD-1激动型抗体目前正处于临床研究阶段，在治疗T细胞介导的自身免疫性疾病方面初现潜力。
近日，纽约大学 (NYU) 格罗斯曼医学院Xiang-Peng Kong教授，王俊教授和牛津大学 (University of Oxford) Michael L. Dustin教授作为共同通讯作者 (Kong教授课题组Elliot A. Philips博士和王俊教授课题组博士后刘甲为本文共同第一作者) 在科学免疫Science Immunology上发表题为Transmembrane domain–driven PD-1 dimers mediate T cell inhibition 的研究论文。T细胞B7 家族调节分子通常在胞外区形成比较稳定的同源二聚体，比如通过二硫键等等。但是，早年PD-1 受体胞外区的结构研究却表明该分子主要以单体形式存在。那么PD-1 是否在细胞层面上以单体抑或其它构相参与其T细胞免疫调节功能的呢？基于这一重要问题，该论文精巧设计了PD-1二聚体检测实验和氨基酸突变筛选实验，首次报道了PD-1分子在细胞膜上被跨膜区精细调控的二聚体结构及其功能意义。这些发现为癌症免疫以及自身免疫疾病治疗提供了全新的思路和策略。
本文通过检测PD-1分子在细胞水平的构象表明PD-1 及其配体能以顺式方式，特别是通过跨膜区形成二聚化结构。这一特点与其他免疫受体形成鲜明对比。体外以及体内功能实验表明，在跨膜结构域突变促进或者减弱PD-1 二聚体的形成，会增加了或者抑制 PD-1负调T细胞的能力。不同于其他受体，PD-1可以形成不稳定的二聚化，该研究揭示可以通过调节PD-1二聚化来影响其功能，从而对肿瘤或者自身免疫病的药物设计提供新的思考。
实验结果发现，CD80和CD86之间没有FRET，提示两个分子间没有交互作用。值得注意的是，PD-1受体以及配体有比较显著的二聚化，特别是PD-1。
不同于胞外区介导CD80的同二聚化 ，该研究表明PD-1及其配体通过跨膜区就可以驱动二聚化。TOXGREEN分析证实了PD-1受体及其配体通过跨膜区介导二聚化的能力，效率依此为PD-1 > PD-L1 > PD-L2。为了进一步理解跨膜区促进二聚化的机制，研究使用TOXGREEN测定法扫描了人PD-1分子跨膜区23个氨基酸残基对二聚化的影响。结果表明在螺旋N末端 (V173W) 附近的PD-1跨膜区中引入色氨酸会降低二聚化，而在C端 (L184W) 附近引入色氨酸增强了二聚化。在小鼠PD-1分子跨膜区进行类似的突变实验也证明了这一点 。
为了确定PD-1二聚化对其分子功能的影响，团队培育了PD-1敲除的OVA T细胞受体转基因小鼠，并将PD-1-/-CD8+ T细胞从小鼠淋巴结和脾脏中分离并进行逆转录病毒的感染，从而得到具有PD-1突变体的T细胞。在B16-OVA小鼠肿瘤模型中进行T细胞过继回输治疗实验表明表达低二聚化PD-1的G172W突变型T细胞比野生型T细胞更有力的抑制肿瘤生长，高二聚化PD-1的L186W突变型T细胞抑制肿瘤生长的能力减弱 。为了研究PD-1二聚化在自身免疫疾病方面的功能，研究者将表达不同突变型的T细胞输入RIP-mOVA小鼠中，结果显示，L186W突变型T细胞输入的小鼠更晚获得糖尿病表型，G172W突变型T细胞输入的小鼠则更容易获得糖尿病表型。以上实验表明PD-1分子二聚化水平能影响CD8+T细胞功能。
综上所述，PD-1及其配体以顺式进行跨膜区驱动的二聚化。本项研究通过对PD-1跨膜区二聚化的操纵揭示了一种全新的T细胞调节结构功能关系。这些发现为下一代针对PD-1的免疫治疗药物提供了新思路以及方向。
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