Nature | 新型抗原呈遞細胞賦予腸道菌群Treg依賴性耐受

原創(chuàng)?驕陽似我?圖靈基因?2022-11-02 10:11?發(fā)表于江蘇

收錄于合集#前沿分子生物學(xué)機制

撰文：驕陽似我

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本文的研究揭示了分別在胸腺和外周建立對自身和外來抗原的耐受性的平行途徑，其特征是參與共享的細胞和轉(zhuǎn)錄程序。

建立和維持對自身抗原或無害的外源抗原的耐受性對保護機體健康至關(guān)重要。在胸腺內(nèi)，表達自身免疫調(diào)節(jié)因子（AIRE）的髓質(zhì)胸腺上皮細胞（mTECs）通過缺失自身反應(yīng)性T細胞和促進胸腺調(diào)節(jié)T（Treg）細胞發(fā)育，在自我耐受中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在出生后的幾周內(nèi)，暴露于來自飲食和共生微生物群的抗原后，Treg細胞再次分化，但負責(zé)產(chǎn)生外周Treg（pTreg）細胞的細胞類型尚未確定。

近期，在Nature雜志上發(fā)表了一篇名為“Novel antigen-presenting cell imparts Treg-dependent tolerance to gut microbiota”的文章，描述了一類被稱為Thetis細胞的RORγt+抗原提呈細胞，具有mTECs和樹突狀細胞的轉(zhuǎn)錄特征，包括四個主要的亞群（TCI-TCIV）。本文發(fā)現(xiàn)在生命早期的關(guān)鍵窗口期內(nèi)的Thetis細胞的發(fā)育波，與pTreg細胞分化波相一致。TC I和TC III表達了特征性的mTEC核因子AIRE，而TC IV缺乏AIRE的表達，并富集了pTreg生成所需的分子，包括TGF-β激活的整合素αvβ8。Thetis細胞丟失主要組織相容性復(fù)合體II類（MHCII）或ITGB8會導(dǎo)致腸道pTreg分化的嚴重損害，隨后發(fā)生結(jié)腸炎。相比之下，RORγt+組3先天淋巴樣細胞（ILC3）和經(jīng)典樹突狀細胞的MHCII表達既不適合pTreg的生成也不需要，進一步表明TC IV是RORγt+抗原耐受細胞，在早期生命中具有重要功能。

RORγt+?APCs促進pTreg分化

胸腺外pTreg細胞與RORγt的表達不同，它在腸系膜淋巴結(jié)（mLN）中響應(yīng)共生細菌抗原，并在抑制針對腸道微生物的炎癥免疫反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。相反，缺乏RORγt+細胞（MHCIIΔRORγt）的MHCII限制性抗原呈遞的小鼠，會發(fā)生嚴重的腸道炎癥，因為它們不能建立對共生細菌的耐受性，表明RORγt+?APCs和RORγt+?pTreg細胞的生成之間可能存在聯(lián)系。為了驗證這種可能性，當pTreg細胞在腸道中積累時分析三周大時的MHCIIΔRORγt小鼠。

觀察到mLN和結(jié)腸固有層內(nèi)的RORγt+?pTreg細胞顯著減少，同時CD44hi?T效應(yīng)細胞（Teff）的擴增（圖1a-d）。八周大時，這些老鼠的RORγt+?pTreg細胞以及結(jié)腸的擴張結(jié)腸T輔助17（TH17）細胞嚴重減少（圖1e），符合先前的研究證明的結(jié)果。組織學(xué)分析顯示，嚴重的結(jié)腸炎伴有明顯的炎癥細胞浸潤、黏膜潰瘍和隱窩丟失（圖1f，g），證實了RORγt+?APCs在防止腸道免疫反應(yīng)失調(diào)方面的關(guān)鍵作用。總之，這些結(jié)果表明了早期生命RORγt+?APC在pTreg細胞生成中的重要作用，并提出了致耐受性RORγt+?APC的性質(zhì)問題。圖1：RORγt+?APCs促進pTreg分化和早期腸道耐受。

RORγt+?APC的一個新譜系的鑒定

許多候選的APC已被認為可以調(diào)節(jié)對腸道微生物群的耐受性，包括樹突狀細胞和MHCII+ILC3。其中，MHCIIΔRORγt小鼠對共生體的耐受性的喪失先前被歸因于ILC3，假設(shè)它們代表了唯一的RORγt+?MHCII+細胞類型。然而，最近研究已經(jīng)確定了表達RORγt的樹突狀細胞以及RORγt+?AIRE+細胞，這些細胞最初被描述為“ILC3樣”細胞，但隨后顯示出更接近樹突狀細胞，這些細胞在免疫耐受中的作用尚不清楚。

重要的是，在pTreg細胞首次出現(xiàn)時，在mLN中尚未檢測到RORγt+?APC的光譜。因此對2周齡時從mLN中分離的CD45+Lin-RORγt+MHCII+細胞進行測序和轉(zhuǎn)座酶及染色質(zhì)的單細胞分析（圖2a）。經(jīng)過質(zhì)量過濾后保留了10,145個細胞的轉(zhuǎn)錄譜，數(shù)據(jù)無監(jiān)督聚類分析顯示兩種主要的細胞類型（圖2b-d），第一種細胞類型代表ILC3s，跨越其整個發(fā)育譜，包括RAG1+ILC3祖細胞（ILC3p）、增殖和成熟NCR+ILC3s和CCR6+LTi細胞（圖2d）。第二種細胞類型不表達典型的固有淋巴細胞（ILC）基因。該群體由上皮細胞和樹突狀細胞相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子和細胞表面分子的組合區(qū)分，由四個亞群和一小群增殖細胞組成（圖2b–d）。

為了闡明非ILC3 RORγt+?APCs的身份，在一個全面的免疫和基質(zhì)細胞數(shù)據(jù)庫中比較了轉(zhuǎn)錄組的相似性。與預(yù)期一樣，ILC3 scRNA-seq簇與ILC3對齊，而其余簇與mTEC和樹突狀細胞表現(xiàn)出驚人的高相關(guān)性（圖2e），包括簇I和III中特征mTEC轉(zhuǎn)錄因子AIRE的特異性表達（圖2f）。分析Thetis細胞亞群的轉(zhuǎn)錄組與已發(fā)表的單細胞胸腺上皮轉(zhuǎn)錄組顯示與成熟mTEC亞群的不同簇重疊，特別是成熟AIRE+（mTEC II）和“AIRE后”（mTEC-III）子集（圖2g）?？偟膩碚f，這些數(shù)據(jù)證明了早期生活中腸道淋巴結(jié)中存在一種新的RORγt+細胞。圖2：新的RORγt+?APC譜系的鑒定。

Thetis細胞的表型景觀

胸腺外AIRE的表達已在遷移的CCR7+樹突狀細胞中表達。值得注意的是，將CCR7+樹突狀細胞與其CCR7-對應(yīng)物區(qū)分開來的基因表達特征并不定義樹突狀的細胞譜系，而是代表一個特定的轉(zhuǎn)錄程序可以獲得經(jīng)典樹突狀細胞亞群cDC1和cDC2，以及其他APC類型，反映了增強細胞遷移，T細胞啟動能力和免疫調(diào)節(jié)分子的表達。

AIRE在Thetis細胞和CCR7+樹突狀細胞中共同表達，聚類分析證實LTi-樣?ILC3和TCI-ICIV簇的存在（圖3a）。AIRE蛋白的表達在10-15%的Thetis細胞群中很容易檢測到，但在樹突狀細胞中檢測不到（圖3b），與在樹突狀細胞中觀察到的較低的AIRE轉(zhuǎn)錄水平一致。細胞表面標記物的指數(shù)分析顯示，Thetis細胞跨越了從CD11c-/lo（TCI）到CD11chi（TCII-TCIVI）細胞的圖譜。此外，TC IV具有高水平的CD11b表達水平。這些表明先前在Tbet-?cDC2B中發(fā)現(xiàn)的RORγt+?CD11c+?CD11b+?MHCII+細胞，代表TC IV。TCII-TCIV表達的RORγt高于ILC3。ILC3s傳統(tǒng)上被識別為CD90+細胞，包括CD90-和CD90+，不表達CD11c（圖3c）。

此外，Thetis細胞不表達RORα（圖3d），這是ILC發(fā)育的關(guān)鍵基因，由ILC前體（ILCp）和成熟的ILC亞群表達。MHCII+ILC3表達RORα使能利用?RORα定位小鼠確定ILCp和RORα細胞之間的關(guān)系。在mLN中，約90%的LTi細胞和70%的ILC1和自然殺傷細胞被tdTomato標記，而Thetis細胞只有不到2%（圖3e），證實了Thetis細胞與ILCs沒有發(fā)育關(guān)系。這些結(jié)果表明Thetis細胞是一種新的細胞類別，不同于ILC和經(jīng)典的樹突狀細胞。

為了確定調(diào)控Thetis細胞分化和異質(zhì)性的轉(zhuǎn)錄因子，利用scATAC-seq數(shù)據(jù)整合了差異轉(zhuǎn)錄因子基序活性與基因表達。該分析鑒定了ILC3中典型ILC3轉(zhuǎn)錄因子的活性，包括RORα、GATA3和TCF1，以及NCR+?ILC3中的T-BET（圖3f）。相比之下，Thetis細胞具有一組獨特的轉(zhuǎn)錄因子的活性，包括mTEC分化的關(guān)鍵調(diào)控因子Spi-B，以及調(diào)控髓系細胞分化的核心轉(zhuǎn)錄因子(PU.1、BCL11A、IRF8和IRF4)（圖3f），與它們與mTECs和樹突狀細胞的轉(zhuǎn)錄重疊一致。這些發(fā)現(xiàn)共同確立了Thetis細胞的獨特身份，描繪了它們與mTEC和樹突狀細胞的共同和獨特特征。

為了了解Thetis細胞亞群的潛在功能，分析它們的轉(zhuǎn)錄特征（圖3g）。TC I表達典型的AIRE+?mTEC基因，包括Aire、Cd80、Cd86、Tnfrsf11b（編碼OPG），以及與神經(jīng)元粘附、信號傳導(dǎo)和生長相關(guān)的基因（Nrxn1、Nrn1和Ncam1）。值得注意的是，最近一項研究外圍AIRE表達細胞確定的“mTEC-like”RORγt+?AIRE+淋巴結(jié)細胞，同樣區(qū)分神經(jīng)元基因，可能代表AIRE+?TC I. TC II的獨家表達一些獨特的基因包括Pigr和Cldn7，進一步突出mTEC和Thetis細胞亞群之間的相似之處。TC III高水平表達AIRE和Nlrc5，MHCI類基因的關(guān)鍵調(diào)控因子。TC IV表達免疫調(diào)節(jié)基因（Cd274）以及與細胞遷移相關(guān)的基因（Marcks和Cxcl16）。

為了驗證觀察到的Thetis細胞表型設(shè)計了一組流式細胞術(shù)標記物（圖3h）。通過CXCR6-的表達來區(qū)分MHCII+?ILC3與Thetis細胞（圖3d，e，h）。在CXCR6-?RORγt+?MHCIIhi細胞中證實了Thetis細胞亞群的存在（圖3i），與TC I和TC III蛋白表達模式一致（圖3j）。CCR6和SIGLEC-G是RORγt+?AIRE+細胞的標記物，它們在TC I和TC II中表達，而在TC III和TC IV中不表達（圖3h，i）。AIRE+?TC I代表RORγt+?AIRE+細胞，稱為Janus細胞，TCII-TCIV擴展了非ILC3 RORγt+?MHCII+細胞超出AIRE表達細胞（圖3k）?？傊陨戏治霰砻?，Thetis細胞亞群在分子和功能上都是不同的。圖3：Thetis細胞亞群的轉(zhuǎn)錄、表觀遺傳和本體學(xué)特征。

ILC3和DCs對于pTreg的生成是不可或缺的

鑒于Thetis細胞與在T細胞耐受中起作用的APC類型的重疊表型，假設(shè)Thetis細胞是相關(guān)的RORγ+用于指示pTreg細胞分化的MHCII+細胞類型。對Thetis細胞和ILC3轉(zhuǎn)錄組以及細胞表面蛋白表達的比較證實，與MHCII+?ILC3細胞相比，Theitis細胞富含與抗原呈遞、T細胞活化和細胞遷移相關(guān)的分子（圖4a、b）。此外，與Thetis細胞相比，沒有觀察到MHCII+?ILC3上CCR7蛋白的表達（圖4c）。綜上所述，這些結(jié)果表明Thetis細胞是感受態(tài)的APC。

對三周大的MHCIIΔRORα小鼠的分析證實，在ILC3上，MHCII的表達完全缺失，而在Thetis細胞中沒有變化（圖4d）。值得注意的是，MHCIIΔRORα小鼠的腸道T細胞組成沒有受到干擾，在mLN和大腸中，CD4+?Teff和Treg細胞的比例和數(shù)量相同（圖4e）。為了排除ILC3在晚年pTreg分化中的作用，在12周齡時檢測了MHCIIΔRORα小鼠。與MHCIIΔRORgt小鼠相比，MHCIIΔRORα成年小鼠的pTreg頻率正常，沒有T細胞激活狀態(tài)改變的證據(jù)（圖4f），也缺乏結(jié)腸炎癥的組織學(xué)跡象（圖4g），進一步證實了MHCII介導(dǎo)的ILC3抗原呈遞對腸道耐受性不是必需的?？傊@些發(fā)現(xiàn)表明，ILC3或CDC的MHCII抗原呈遞對于pTreg細胞的分化是不可或缺的，使Thetis細胞成為pTreg誘導(dǎo)的RORγt+?APC。圖4：腸增殖分化不需要ILC3s的表達。

本文確定了一種新的耐受性APC類型，它在宿主-微生物共生首次建立時在腸道中富集。TC IV指示胸腺外Treg細胞生成的發(fā)現(xiàn)為報道的建立腸道免疫耐受的早期生命窗口提供了細胞基礎(chǔ)。未來對細胞生物學(xué)的探索可能為免疫耐受機制和自身免疫性和炎癥性疾病的發(fā)病機制提供關(guān)鍵的見解。

教授介紹：

Chrysothemis C. Brown

Chrysothemis C. Brown，博士，是紐約紀念斯隆凱特琳癌癥中心（MSKCC）的帕克高級研究員。她是MSCCC人類腫瘤學(xué)發(fā)病機制計劃和發(fā)展腫瘤學(xué)部門的助理成員，也是紀念斯隆凱特琳醫(yī)院兒科的助理主治醫(yī)師。

Brown在英國牛津大學(xué)獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，并在倫敦完成了兒科的醫(yī)學(xué)培訓(xùn)。她在Randy Noelle的指導(dǎo)下獲得了免疫學(xué)博士學(xué)位，研究T細胞命運的轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳調(diào)控。在她的博士后時期，Brown加入了亞歷山大·魯?shù)撬够膶嶒炇?，擔任惠康信托基金會臨床研究員，從事免疫細胞命運轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究。在那里，她在小鼠和人類中發(fā)現(xiàn)了新的樹突狀細胞亞群。

Brown現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)著她在MSKCC自己的實驗室。該實驗室的研究目標包括解碼在腫瘤環(huán)境中塑造樹突狀細胞異質(zhì)性的環(huán)境線索，并確定這些不同的樹突狀細胞在腫瘤生長，轉(zhuǎn)移和腫瘤免疫中的作用。Brown實驗室使用基因工程小鼠模型，單細胞基因組學(xué)和尖端空間分析的組合來解決這些問題。該實驗室的另一項主要工作是繪制兒科免疫系統(tǒng)的發(fā)展圖，以便將樹突狀細胞異質(zhì)性的研究轉(zhuǎn)化為成人和小兒實體瘤的治療方法。

參考文獻：

1、Akagbosu, B., Tayyebi, Z., Shibu, G.et al.Novel antigen-presenting cell imparts Treg-dependent tolerance to gut microbiota.Nature610, 752–760 (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-05309-5

2、Mark A. Travis，Chiara Romagnani.How regulatory T cells are primed to aid tolerance of gut bacteria.Nature?610, 638-640 (2022). https://doi.org/10.1038/d41586-022-03368-2