在基因重排过程中，DNA序列由于密码子简并性，多个密码子可以编码相同的氨基酸，不同的 V（D）J 重排最终可以编码相同的T细胞受体（TCR）氨基酸序列，这种现象称为TCR收敛或趋同（convergence）。
T细胞通过TCR与肽/ MHC复合物的结合而被其同源抗原激活，因此，抗原特异性T细胞在消除病原体或肿瘤细胞方面发挥主导作用。但是T细胞靶向表位的巨大多样性和MHC的高度多态性使得识别抗原特异性T细胞极具挑战性。有研究发现TCR收敛性可以反映克隆选择的强度，更有可能与抗原特异性有关，可以用于评估对治疗的反应有效性。
鉴于持续的抗原驱动选择可能导致收敛的TCR群具有相同的抗原特异性（即相同的氨基酸序列），但不同的核苷酸序列，因此TCR convergence index定义为具有相同CDR3氨基酸序列和V基因，但不同CDR3核酸序列的克隆频率总和。
接下来让我们从收敛TCR的基本特征、与抗原特异性TCR的相关性、临床意义等几个方面来全面了解TCR的收敛性。
将TCR氨基酸（AA）的简并性定义为一个样本中编码该TCR的不同克隆型的数量。等于1的简并表示非收敛的TCR，而大于 1 的简并表示收敛的TCR。研究发现收敛TCR仅占总T细胞群的一小部分（5.40%）（图1)。大多数收敛TCRs的简并度为2个（90.65%）或3个（7.16%），而较大的简并性较少。
图1.不同简并程度的TCR的log10转换计数
收敛TCR偏向于中性AAs和酸性AAs，特别是酪氨酸（Y）、丝氨酸（S）和谷氨酸（E），碱性AAs和非极性疏水AAs较少（图2).精氨酸 （R）、亮氨酸 （L） 和丝氨酸 （S） 各有六个对应的密码子，密码子简并性最大，但是亮氨酸和精氨酸与TCR收敛的相关性与丝氨酸不同。另一方面，酪氨酸和谷氨酸各只有两个密码子，但其在收敛TCR 中的百分比高于非收敛 TCR。这表明，密码子简并水平不是TCR收敛的决定因素，特定AA的理化性质可能对TCR收敛产生更大的影响。
图2.简并程度D1-D4的TCR中20个氨基酸的的比例
公共TCR由VDJ重组偏倚产生，并在不同的个体之间共享，这些个体可能靶向共同的抗原。 收敛TCR和公共TCR在概念上相似，下图比较了健康供体和不同癌症患者的收敛TCR中公共TCR的比例来研究两者之间的差异（图3).在健康人以及另一个由COVID-19康复超过6周的患者组成的独立队列中观察到收敛TCR和公共TCR的高度重叠（47.92%）（47.44%）。而对于癌症患者来说，对于TMB较高的癌症类型，收敛TCR和公共TCR之间的重叠较少。这表明TCR收敛和共享代表了两种不同的生物学过程，它们在癌症患者中因肿瘤突变负荷而分化。
图3.不同癌症类型的收敛TCR中公共TCR的比例
通过已知的抗原特异性TCR数据库检查收敛TCR与抗原特异性TCR的重叠。发现虽然收敛TCR仅由所有独特克隆的一小部分组成，但它们主要富集抗原特异性TCR（图4).在4个供体中，分别只有12.91%、33.32%、71.65%和6.24%的独特TCR为抗原特异性，然而，88.00%、88.28%、93.10%和22.22%的收敛TCRs具有抗原特异性，表明收敛TCRs比非收敛TCRs更有可能具有抗原特异性。
图4.4个供体的所有独特TCR、抗原特异性TCR和收敛TCR之间的重叠
然后通过TCRβ-seq数据验证了上述假设。分别比较收敛TCRs、克隆扩增TCR和sars-cov-2特异性TCRs的比值比，发现收敛TCRs的比值比几乎一致高于克隆扩增的TCR（图5左）。收敛TCR的平均比值比为8.94，显著高于克隆扩增TCR的比值比1.74（图5右）。这表明TCR收敛是比克隆扩增更好的抗原特异性指标。
图5.收敛TCR和克隆扩增TCR分别和抗原特异性TCR比值的比较
鉴于TCR收敛性更有可能与抗原特异性有关，所以它可以用于评估对治疗的反应有效性及预测预后。
TCR收敛与ICB治疗的临床结果相关
在抗PD-1治疗第一天收集的29 名尿路上皮癌患者的PBMC样本的TCRβ-seq数据中观察到，TCR收敛水平与总生存期（OS）和无进展生存期（PFS）相关，高TCR收敛水平组的OS和PFS均显著更高（图6A-B).
以上发现在另一个接受免疫检查点封锁（ICB）试剂治疗的黑色素数据集中得到验证。TCR收敛显著预测患者预后（p<0.0001）（图6C），TCR收敛性高的患者生存期更长。对ICB治疗有反应（CR和PR）的患者具有更高的TCR收敛水平（图6D）。
与TCR克隆性、多样性、不同的序贯治疗、测序深度等其他变量相比，TCR收敛性和临床结果的相关性最显著（图6E）。总之，TCR收敛是接受ICB治疗的患者的独立预后预测因子。
图6.TCR的收敛水平与ICB治疗的临床结果相关
TCR收敛与CTLA-4治疗反应相关
在一组包含透明细胞腺癌、黑色素瘤和前列腺癌患者的队列中评估TCR收敛性作为CTLA-4 阻断反应的预测性生物标志物的性能。发现在对免疫治疗有客观反应的患者中，TCR收敛性升高（p = 0.033，图7A），并且可以区分应答者和无应答者，AUC 为 0.77。同时，对免疫治疗有反应的患者也有较高克隆率（p = 0.055，图7B;AUC = 0.74）.当结合收敛性和克隆性这两个因素时，应答与无应答的预测模型AUC达0.89（图7C）.与单一特征的模型相比，双特征模型的预测性能更好（图7D）。
图7.临床结果与TCR收敛性之间的相关性
在一个研究中评估了晚期非小细胞肺癌（NSCLC）患者在接受 durvalumab（抗 PD-L1）治疗前后的外周血TCRß链库，以确定TCR库与临床结果的关联。研究发现治疗后TCR收敛频率（TCF）下降的患者的OS有增加的趋势（RTCF<1和≥1的中位OS分别为27.7个月和13.1个月，log-rank检验p=0.154）（图8左）。治疗后克隆性降低或TCF降低的患者中位OS显著增加（p=0.009）（图8右）。说明TCR收敛频率增加了TCR库除了克隆性之外的预测价值。
图8.TCR收敛率与总生存率的关系
收敛的TCR富集了遭遇抗原的受体，与抗原特异性TCR具有相关性。这种抗原驱动选择使TCR收敛成为疾病诊断和/或预测预后的有价值的生物标志物。
-
Pan M, Li B. T cell receptor convergence is an indicator of antigen-specific T cell response in cancer immunotherapies. Elife. 2022 Nov 9;11:e81952.
-
Naidus E, Bouquet J, Oh DY, et al. Early changes in the circulating T cells are associated with clinical outcomes after PD-L1 blockade by durvalumab in advanced NSCLC patients. Cancer Immunol Immunother. 2021 Jul;70(7):2095-2102.
-
Looney TJ, Topacio-Hall D, Lowman G, Conroy J, Morrison C, Oh D, Fong L, Zhang L. TCR Convergence in Individuals Treated With Immune Checkpoint Inhibition for Cancer. Front Immunol. 2020 Jan 9;10:2985.
杭州艾沐蒽生物科技有限公司成立于2016年，是国际前沿的专注于免疫驱动医学技术的国家高新技术企业。创始人团队来自美国芝加哥大学，在2010年开始使用免疫组基因高通量测序技术开展各种疾病相关研究，于2016年通过自主研发，全国首家推出NGS-MRD血液肿瘤微小残留病（MRD）检测Seq-MRD®，并授权泛生子（纳斯达克代码：GTH）使用。同时，公司拥有Immun-Traq®肿瘤治疗伴随诊断、Immun-Cheq® |T细胞免疫测评以及ImmuHub®免疫组测序科研服务产品，并布局有基于AI机器学习算法的T-classifier®肿瘤早筛、单细胞测序、TCR-T和抗体发现等平台管线。公司构建几十项发明专利和软件著作权为核心的自主知识产权体系，为医院临床、生命科学研究、新药开发等提供解决方案和产品。艾沐蒽专注于通过解码适应性免疫系统来改变疾病的诊断和治疗，并致力于推进免疫驱动医学领域发展。
