在病原體感染身體后，免疫系統(tǒng)會發(fā)生一系列顯著的且非常復(fù)雜的事件。一些稱為淋巴細胞的免疫細胞遷移到感染部位；其他的免疫細胞遷移到抗體能夠開始產(chǎn)生的淋巴結(jié)區(qū)域。通過細胞間接觸和信號分子釋放，大量的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在免疫細胞中發(fā)生著。這些免疫反應(yīng)的目標是破壞病原體和修復(fù)組織損傷。

在免疫反應(yīng)期間，許多免疫細胞經(jīng)歷成熟而變成功能增強的細胞，從而使得它們能夠以特定方式對特定類型的病原體作出反應(yīng)。這被稱為“效應(yīng)細胞分化（effector cell differentiation）”。

對一種稱為濾泡輔助性T細胞（T follicular helper cell, Tfh）的免疫細胞而言，了解這種效應(yīng)細胞分化機制可能是產(chǎn)生更好疫苗、幫助臨床醫(yī)生抵抗難以消滅的病毒、細菌或多細胞病原體和理解如何抑制自身免疫疾病的關(guān)鍵。

在一項新的研究中，來自美國阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校、哈森阿爾法生物技術(shù)研究所、麻省總醫(yī)院、哈佛醫(yī)學(xué)院和辛辛那提兒童醫(yī)院的研究人員詳細介紹了一種為產(chǎn)生兩種主要的效應(yīng)細胞亞群--- Tfh細胞和非Tfh細胞---的命運決定作好準備的機制。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年9月14日的Science期刊上，論文標題為“Differential IL-2 expression defines developmental fates of follicular versus nonfollicular helper T cells”。

圖片來自Science, doi:10.1126/science.aao2933。

這兩種類型的細胞均由在淋巴結(jié)中表達表面標志物CD4的初始T細胞（naïve T cell）發(fā)育而來。當激活信號指出體內(nèi)其他部位遭受感染時，這些初始T細胞經(jīng)誘導(dǎo)后發(fā)育成Tfh細胞或三種類型的非Tfh細胞---Th1、Th2或Th17細胞---之一。

Tfh細胞遷移到淋巴結(jié)的B細胞區(qū)，在那里它們與B細胞相互作用以產(chǎn)生生發(fā)中心；在生發(fā)中心，B細胞產(chǎn)生并釋放特異性靶向病原體的高親和力抗體?？贵w生產(chǎn)是適應(yīng)性免疫的一個重要部分，而且僅在感染幾天后開始，或者有時在延遲數(shù)周后開始。

另一方面，非Tfh細胞遷移到非淋巴組織中的病原體入侵位點，在那里它們協(xié)調(diào)適應(yīng)性免疫的另一個重要部分---先天性免疫細胞的功能增強。

在效應(yīng)細胞分化的早期事件期間，已知一部分活化的CD4+ T細胞開始產(chǎn)生細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子IL-2。但是科學(xué)家們沒有任何標志物來區(qū)分哪些活化的CD4+ T細胞產(chǎn)生IL-2，而且也無法區(qū)分哪些活化的CD4+ T細胞會變成Tfh細胞，哪些活化的CD4+ T細胞會變成非Tfh細胞。

當阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校Casey Weaver實驗室的研究成員對IL-2報告小鼠進行基因改造時，情形發(fā)生了變化。這些小鼠具有一個與IL-2基因連接在一起的綠色熒光蛋白（GFP）編碼基因。一旦活化的CD4+ T細胞開始產(chǎn)生IL-2，那么當暴露于藍光時，它們就會發(fā)生綠光。這允許將產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞和不產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞自動分選為兩組不同的細胞群體。在這些報告小鼠發(fā)育成熟之前，Tfh和非Tfh細胞能夠在遭受激活化僅兩到三天后就可加以區(qū)分。

通過這些報告小鼠，論文共同第一作者、阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校博士后研究員Colleen Winstead 博士和論文共同第一作者、阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校醫(yī)學(xué)科學(xué)家教育項目博士生Daniel DiToro就能夠區(qū)分產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞和不產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞，并在遭受活化后數(shù)小時內(nèi)對它們進行分選。

對每組經(jīng)過分選的CD4+ T細胞進行測試表明它們誘導(dǎo)一系列不同的基因表達。產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞誘導(dǎo)已知在Tfh細胞發(fā)育和功能中發(fā)揮重要作用的基因表達。相反，不產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞誘導(dǎo)非Tfh效應(yīng)細胞分化特征性的基因表達。這提示著產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞命中注定變成Tfh細胞，不產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞命中注定變成非Tfh效應(yīng)細胞。即使在經(jīng)過活化的T細胞開始細胞分裂開始之前，這種命運決定似乎在數(shù)小時內(nèi)就被確定。

DiToro、Winstead及其來自阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校、哈森阿爾法生物技術(shù)研究所、麻省總醫(yī)院、哈佛醫(yī)學(xué)院和辛辛那提兒童醫(yī)院的同事們利用Weaver實驗室通過基因改造產(chǎn)生的第二種報告鼠來證實這種命運決定。

第二個報告基因也與IL-2基因連接在一起，在產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞表面上產(chǎn)生一種細胞表面標志物。當利用針對這種細胞表面標志物的抗體選擇性地移除產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞時，沒有Tfh細胞產(chǎn)生，因而僅留下非Tfh細胞。

在Weaver的領(lǐng)導(dǎo)下，這些研究人員還進行了一系列實驗，從而揭示出控制CD4+ T細胞在早期分化為Tfh和非Tfh效應(yīng)細胞的機制。

他們證實Tfh細胞所占的百分比與用于活化初始CD4+ T細胞的抗原數(shù)量相關(guān)，并且這種百分比也與抗原結(jié)合到這些初始CD4+ T細胞的抗原受體上的強度相關(guān)。IL-2的產(chǎn)生僅限于接受最強T細胞受體信號的初始CD4+ T細胞。

DiToro說，“因此，這取決于活化強度和信號強度。在了解了Tfh細胞的發(fā)育過程后，如今我們能夠操縱這些強大的細胞，以便促使B細胞產(chǎn)生高親和力抗體。”

這些研究人員還發(fā)現(xiàn)，由命中注定變成Tfh細胞的CD4+ T細胞產(chǎn)生的IL-2 通過上調(diào)IL-2受體的一個高親和組分而作用于不產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞，這接著誘導(dǎo)分化為非Tfh效應(yīng)細胞所需的基因表達。因此，IL-2以旁分泌的方式發(fā)揮作用，這意味著IL-2以類似激素的方式作用于分泌它的細胞附近的其他細胞。產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞影響著它們附近的不產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞。

在產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞中上調(diào)表達的基因之一是Bcl6，它對Tfh細胞發(fā)育很重要。這三種類型的非Tfh細胞（即Th1、Th2和Th17細胞）的發(fā)育與Tfh細胞發(fā)育同時發(fā)生，因此這些研究人員也觀察了它們的命運決定。輔助性T細胞在適應(yīng)性免疫中起著重要的作用，有助于抑制或調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。這三種類型的非Tfh細胞對三種不同的病原體群體作出反應(yīng)： Th1細胞對胞內(nèi)單細胞病原體、病毒病原體或細菌病原體作出反應(yīng); Th2細胞對蠕蟲等多細胞生物作出反應(yīng)；Th17細胞對大腸桿菌等胞外單細胞病原體作出反應(yīng)。

這些研究人員在旨在促進Th1、Th2或Th17細胞發(fā)育的條件下活化初始CD4+ T細胞。他們發(fā)現(xiàn)IL-2的產(chǎn)生和Bcl6在這些非Tfh條件下相互反映。他們隨后使用多種體內(nèi)炎癥模型來證實產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞都發(fā)育成Tfh而與炎癥模型無關(guān)。

這讓這些研究人員對另一種稱為記憶細胞的效應(yīng)性T細胞細胞（T effector cell）亞群進行了預(yù)測。記憶T細胞是之前對病原體感染作出反應(yīng)的長壽細胞；它們隨后能夠在再次遭受相同病原體感染后快速地增殖，從而產(chǎn)生更快更強的免疫反應(yīng)。這些研究人員預(yù)測，不產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞命中注定成為效應(yīng)性記憶T細胞（effector memory T cell），而產(chǎn)生IL-2的CD4+ T細胞命中注定成為中樞記憶T細胞（central memory T cell）。中樞記憶T細胞主要存在于淋巴結(jié)中；效應(yīng)性記憶T細胞缺乏歸巢到淋巴結(jié)中的能力，它們停留在外周血和組織中。

這些研究人員在結(jié)論中寫道，“IL-2作為這些不同效應(yīng)程序的細胞早期標志物的用途已在這項研究中得到確立。我們建議這應(yīng)當為開發(fā)出于治療目的調(diào)節(jié)治療效應(yīng)性T細胞反應(yīng)平衡的策略提供依據(jù)。”

參考資料：Daniel DiToro1,*, Colleen J. Winstead1,*,†, Duy Pham et al. Differential IL-2 expression defines developmental fates of follicular versus nonfollicular helper T cells. Science, 14 Sep 2018, 361(6407):eaao2933, doi:10.1126/science.aao2933.

原標題：Science：重磅！揭示T細胞命運決定機制