PD-1和PD-L1都是I型跨膜蛋白，属于免疫球蛋白（Ig）超家族。PD-1含有一个胞外结构域（Ig-V样）、一个跨膜结构域和一个含有两个酪氨酸信号基序的细胞质结构域（免疫受体酪氨酸抑制基序（ITIM）和免疫受体酪氨酸开关基序（ITSM））。PD-L1包含两个胞外结构域（Ig-V和Ig-C样）、一个跨膜结构域和一个缺少已知信号基序的短细胞质尾。 PD-L1是效应T细胞的标志物，在原始和静止的T细胞中不存在，在激活的所有T细胞中被诱导产生。PD-L1的上调是由通路MAPK、PI3K/AKT以及转录因子（HIF-1、STAT3和NF-κB）的激活引起。在T细胞活化过程中，PD-1在与T细胞结合后改变其构象，PD-L1易位到动态TCR微集群，并在信号中心超分子激活集群（c-SMAC）聚集。PD-1的细胞质尾部被Src家族激酶磷酸化。在活细胞中T细胞实时激活期间，SHP-2与PD-1相互作用。在TCR附近招募SHP-2可减弱关键的TCR近端信号事件，如Lck介导的ZAP70磷酸化，并影响下游信号通路，包括PI3K/AKT和RAS-ERK-VAV-PLCγ通路。PTEN-PI3K-AKT和RAS-MEK-ERK信号是PD-1连接的两个主要靶向途径。PD-1可以通过增加转录因子的表达来抑制T细胞功能，如碱性亮氨酸拉链转录因子ATF样（BATF），后者可以进一步抑制效应基因的表达。PTEN是一种丝氨酸-苏氨酸磷酸酶，可对抗PI3K的激活，并抑制PI3K/AKT通路传递的信号。PD-1通过招募SHP-2阻断PI3K的激活；CK2磷酸化并稳定PTEN，但抑制PTEN磷酸酶活性。PD-1抑制PTEN的稳定磷酸化，从而导致PTEN丰度降低，但PTEN磷酸酶活性增加。对于MEK-ERK-MAP激酶途径，PD-1对其的抑制主要通过抑制PLC-γ1和Ras的激活来介导。PD-1通过其对B7分子更强的亲和力完全阻断CD28的共刺激，以更间接的方式发挥其抑制作用。PD-1及其PD-L1是关键的调节生理免疫检查点，通过调节T细胞和B细胞在其他免疫细胞类型中的激活程度来维持机体的自我耐受。在实体瘤中，PD-1/PD-L1抑制途径可通过增加肿瘤细胞表面PD-L1的表达来沉默免疫系统。