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PNAS:揭示T细胞功能衰竭的分子机制

来源:生物谷 2017-03-18 17:16


2017年3月18日/生物谷BIOON/---我们存活到成年的一个原因在于细胞毒性T细胞通常识别和清除癌变的或被病原体感染的细胞。但是招募到肿瘤或感染位点中的T细胞长期过于活跃会使得它们不能够清除入侵者,即T细胞进入一种被称作“功能衰竭(exhaustion,也译作精疲力竭)”的细胞状态。幸运的是,癌症研究人员正在开发有效的免疫疗法抵抗T细胞功能衰竭(T cell exhaustion)和重新激发它们根除病人体内的肿瘤。

为了提高这些免疫疗法的疗效,来自美国拉荷亚过敏症与免疫学研究所的Anjana Rao博士和Patrick Hogan博士想要知道当T细胞功能衰竭时,哪些基因会被激活。他们的一项新的研究首次报道了功能衰竭的T细胞与正常的T细胞在DNA结构上存在差异。这一发现导致他们编制出一个更新的候选DNA结合蛋白列表,在这个列表中的候选DNA结合蛋白可能启动T细胞中的功能衰竭程序。这项研究给科学家们提供额外的因子,而靶向这些因子可能是下一代免疫疗法的一部分。相关研究结果于2017年3月9日在线发表在PNAS期刊上,论文标题为“Exhaustion-associated regulatory regions in CD8+ tumor-infiltrating T cells”。

Hogan说,“免疫疗法在病人体内显示出真实的疗效,但是在一些情形下,这种疗效是短期的。为了继续在临床实践中取得真正的进步,我们必须持续地优化这些方法。我们做到这一点的一种方法是理解肿瘤如何诱导T细胞不发挥它们的功能。”

为了观察T细胞在肿瘤微环境中失去它们的动力,Rao、Hogan及其研究团队制备出两种接受基因改造的T细胞群体:测试组中的T细胞能够识别一种肿瘤抗原,因而在长期接触这种肿瘤后能够变成非功能性的;对照组中的T细胞不能够识别任何肿瘤抗原,因而保持功能性。这就便于他们确定相比于完全功能性的T细胞,在功能衰竭的T细胞内部,是什么发生偏差。

为此,他们将这些T细胞注射到黑色素瘤负荷模式小鼠体内以便监控测试组和对照组中的T细胞在真实的肿瘤中如何表现。这两个T细胞群体在肿瘤中聚集,但是随着时间的推移,正如期待中的那样,测试组中的T细胞开始表现出高水平的“功能衰竭标志物(exhaustion marker)”,这是因为它们被这种肿瘤抗原过度激活。这些功能衰竭标志物之一是PD-1,即一种因阻断T细胞的细胞杀伤能力而被人所知的蛋白分子(比如,两年前因证实PD-1抑制剂有效地抵抗一些转移性黑色素瘤,它们成为头条新闻)。相比之下,从肿瘤中获得的对照组T细胞表现出更低水平的功能衰竭标志物,这仅是因为它们并不感知这种肿瘤的存在。下一步就是鉴定出哪些基因在测试组T细胞中开启,并且确定这是如何发生的。

为了做到这一点,这个研究团队将RNA测序和ATAC测序结合在一起。RNA测序可用于鉴定哪些基因开启,而ATAC测序用于鉴定比基因组其他区域更加松散的DNA螺旋。发现这些区域给分子遗传学家们提供关于细胞中发生什么的重要线索,这是因为非压缩的DNA通常含有正在进行活跃表达的基因,并且结合激活这些基因的因子。

ATAC测序揭示出在功能衰竭的T细胞中,它们的基因组含有将近2000个新的“易接近(accessible)”区域,通过减去激活的对照组T细胞中的类似区域,测试组T细胞的易接近区域数量下降到450个。这个研究团队随后研究了“功能衰竭相关(exhaustion-related)”DNA片段中的序列,并且利用生物信息学分析,推断出哪些细胞蛋白可能被招募到这些位点上,从而激活功能衰竭特异性的基因表达程序。

这一分析揭示出很多熟悉的DNA结合蛋白在DNA上的结合位点或者说足迹。其中的一种DNA结合蛋白是NFAT。Hogan说,“这些区域与我们之前在长期接触病毒感染细胞的T细胞中作为NFAT结合位点绘制出的区域相重叠。这可能意味着在癌症和慢性感染中,相同的通路指导T细胞进入功能衰竭状态。”

然而,这一分析也提出一些猜测。比如,之前已发现Nr4a蛋白家族与T细胞功能衰竭很少存在关联。进一步的分析强烈地提示着Nr4a蛋白仅仅促进T细胞功能衰竭,相比之下,NFAT在T细胞中发挥着一种复杂的依赖于环境的作用。明确的结论是NFAT和Nr4a蛋白等DNA结合因子很可能一起促进T细胞功能障碍。

论文第一作者、Hogan实验室博士后研究员Giuliana Mognol博士说,事实在于Nr4a蛋白似乎仅在T细胞功能衰竭中发挥功能是一个至关重要的发现。Mognol,说,“作为免疫疗法,PD-1抑制剂产生良好的结果。即便如此,50%以上的病人并不对这种疗法作出反应。鉴定出可能与PD-1一起加以靶向的新分子可能在未来的组合免疫疗法中发挥着重要的作用。”

下一代免疫疗法的一个目标可能是通过逆转功能衰竭的T细胞中观察到的基因组变化来恢复持久的免疫反应。这种逆转可能是通过让T细胞受损时松散的DNA重新压缩加以实现。这是否是可行的仍然没有得到解决。比如,这项研究报道黑色素瘤模式小鼠体内的肿瘤经PD-1抑制剂治疗后会缩小,这是因为经治疗后,它们的T细胞功能得到改善,而且它们的T细胞在DNA构象上仅发生微小的变化。

Hogan说,“我们在实验中观察到T细胞中的细胞信号转导发生变化,但是不能像逆转T细胞基因组的结构变化那样,逆转这些细胞信号转导变化。但是我们不会对此感到悲观,也不想说逆转这些细胞信号转导变化是不可能的。鉴于我们确定了其中的一些细胞信号转导变化,我们的下一个任务是开发逆转它们的方法。”(生物谷 Bioon.com)

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原始出处:

Giuliana P. Mognol, Roberto Spreafico, Victor Wong et al. Exhaustion-associated regulatory regions in CD8+ tumor-infiltrating T cells. PNAS, Published online: 9 March 2017, doi:10.1073/pnas.1620498114

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