Nature | 新型抗原呈递细胞赋予肠道菌群Treg依赖性耐受
原创 骄阳似我 图灵基因 2022-11-02 10:11 发表于江苏
收录于合集#前沿分子生物学机制
撰文：骄阳似我
IF：69.504
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亮点：
本文的研究揭示了分别在胸腺和外周建立对自身和外来抗原的耐受性的平行途径，其特征是参与共享的细胞和转录程序。
建立和维持对自身抗原或无害的外源抗原的耐受性对保护机体健康至关重要。在胸腺内，表达自身免疫调节因子（AIRE）的髓质胸腺上皮细胞（mTECs）通过缺失自身反应性T细胞和促进胸腺调节T（Treg）细胞发育，在自我耐受中发挥关键作用。在出生后的几周内，暴露于来自饮食和共生微生物群的抗原后，Treg细胞再次分化，但负责产生外周Treg（pTreg）细胞的细胞类型尚未确定。
近期，在Nature杂志上发表了一篇名为“Novel antigen-presenting cell imparts Treg-dependent tolerance to gut microbiota”的文章，描述了一类被称为Thetis细胞的RORγt+抗原提呈细胞，具有mTECs和树突状细胞的转录特征，包括四个主要的亚群（TCI-TCIV）。本文发现在生命早期的关键窗口期内的Thetis细胞的发育波，与pTreg细胞分化波相一致。TC I和TC III表达了特征性的mTEC核因子AIRE，而TC IV缺乏AIRE的表达，并富集了pTreg生成所需的分子，包括TGF-β激活的整合素αvβ8。Thetis细胞丢失主要组织相容性复合体II类（MHCII）或ITGB8会导致肠道pTreg分化的严重损害，随后发生结肠炎。相比之下，RORγt+组3先天淋巴样细胞（ILC3）和经典树突状细胞的MHCII表达既不适合pTreg的生成也不需要，进一步表明TC IV是RORγt+抗原耐受细胞，在早期生命中具有重要功能。
RORγt+ APCs促进pTreg分化
胸腺外pTreg细胞与RORγt的表达不同，它在肠系膜淋巴结（mLN）中响应共生细菌抗原，并在抑制针对肠道微生物的炎症免疫反应中发挥关键作用。相反，缺乏RORγt+细胞（MHCIIΔRORγt）的MHCII限制性抗原呈递的小鼠，会发生严重的肠道炎症，因为它们不能建立对共生细菌的耐受性，表明RORγt+ APCs和RORγt+ pTreg细胞的生成之间可能存在联系。为了验证这种可能性，当pTreg细胞在肠道中积累时分析三周大时的MHCIIΔRORγt小鼠。
观察到mLN和结肠固有层内的RORγt+ pTreg细胞显著减少，同时CD44hi T效应细胞（Teff）的扩增（图1a-d）。八周大时，这些老鼠的RORγt+ pTreg细胞以及结肠的扩张结肠T辅助17（TH17）细胞严重减少（图1e），符合先前的研究证明的结果。组织学分析显示，严重的结肠炎伴有明显的炎症细胞浸润、黏膜溃疡和隐窝丢失（图1f，g），证实了RORγt+ APCs在防止肠道免疫反应失调方面的关键作用。总之，这些结果表明了早期生命RORγt+ APC在pTreg细胞生成中的重要作用，并提出了致耐受性RORγt+ APC的性质问题。图1：RORγt+ APCs促进pTreg分化和早期肠道耐受。
RORγt+ APC的一个新谱系的鉴定
许多候选的APC已被认为可以调节对肠道微生物群的耐受性，包括树突状细胞和MHCII+ILC3。其中，MHCIIΔRORγt小鼠对共生体的耐受性的丧失先前被归因于ILC3，假设它们代表了唯一的RORγt+ MHCII+细胞类型。然而，最近研究已经确定了表达RORγt的树突状细胞以及RORγt+ AIRE+细胞，这些细胞最初被描述为“ILC3样”细胞，但随后显示出更接近树突状细胞，这些细胞在免疫耐受中的作用尚不清楚。
重要的是，在pTreg细胞首次出现时，在mLN中尚未检测到RORγt+ APC的光谱。因此对2周龄时从mLN中分离的CD45+Lin-RORγt+MHCII+细胞进行测序和转座酶及染色质的单细胞分析（图2a）。经过质量过滤后保留了10,145个细胞的转录谱，数据无监督聚类分析显示两种主要的细胞类型（图2b-d），第一种细胞类型代表ILC3s，跨越其整个发育谱，包括RAG1+ILC3祖细胞（ILC3p）、增殖和成熟NCR+ILC3s和CCR6+LTi细胞（图2d）。第二种细胞类型不表达典型的固有淋巴细胞（ILC）基因。该群体由上皮细胞和树突状细胞相关转录因子和细胞表面分子的组合区分，由四个亚群和一小群增殖细胞组成（图2b–d）。
为了阐明非ILC3 RORγt+ APCs的身份，在一个全面的免疫和基质细胞数据库中比较了转录组的相似性。与预期一样，ILC3 scRNA-seq簇与ILC3对齐，而其余簇与mTEC和树突状细胞表现出惊人的高相关性（图2e），包括簇I和III中特征mTEC转录因子AIRE的特异性表达（图2f）。分析Thetis细胞亚群的转录组与已发表的单细胞胸腺上皮转录组显示与成熟mTEC亚群的不同簇重叠，特别是成熟AIRE+（mTEC II）和“AIRE后”（mTEC-III）子集（图2g）。总的来说，这些数据证明了早期生活中肠道淋巴结中存在一种新的RORγt+细胞。图2：新的RORγt+ APC谱系的鉴定。
Thetis细胞的表型景观
胸腺外AIRE的表达已在迁移的CCR7+树突状细胞中表达。值得注意的是，将CCR7+树突状细胞与其CCR7-对应物区分开来的基因表达特征并不定义树突状的细胞谱系，而是代表一个特定的转录程序可以获得经典树突状细胞亚群cDC1和cDC2，以及其他APC类型，反映了增强细胞迁移，T细胞启动能力和免疫调节分子的表达。
AIRE在Thetis细胞和CCR7+树突状细胞中共同表达，聚类分析证实LTi-样 ILC3和TCI-ICIV簇的存在（图3a）。AIRE蛋白的表达在10-15%的Thetis细胞群中很容易检测到，但在树突状细胞中检测不到（图3b），与在树突状细胞中观察到的较低的AIRE转录水平一致。细胞表面标记物的指数分析显示，Thetis细胞跨越了从CD11c-/lo（TCI）到CD11chi（TCII-TCIVI）细胞的图谱。此外，TC IV具有高水平的CD11b表达水平。这些表明先前在Tbet- cDC2B中发现的RORγt+ CD11c+ CD11b+ MHCII+细胞，代表TC IV。TCII-TCIV表达的RORγt高于ILC3。ILC3s传统上被识别为CD90+细胞，包括CD90-和CD90+，不表达CD11c（图3c）。
此外，Thetis细胞不表达RORα（图3d），这是ILC发育的关键基因，由ILC前体（ILCp）和成熟的ILC亚群表达。MHCII+ILC3表达RORα使能利用 RORα定位小鼠确定ILCp和RORα细胞之间的关系。在mLN中，约90%的LTi细胞和70%的ILC1和自然杀伤细胞被tdTomato标记，而Thetis细胞只有不到2%（图3e），证实了Thetis细胞与ILCs没有发育关系。这些结果表明Thetis细胞是一种新的细胞类别，不同于ILC和经典的树突状细胞。
为了确定调控Thetis细胞分化和异质性的转录因子，利用scATAC-seq数据整合了差异转录因子基序活性与基因表达。该分析鉴定了ILC3中典型ILC3转录因子的活性，包括RORα、GATA3和TCF1，以及NCR+ ILC3中的T-BET（图3f）。相比之下，Thetis细胞具有一组独特的转录因子的活性，包括mTEC分化的关键调控因子Spi-B，以及调控髓系细胞分化的核心转录因子(PU.1、BCL11A、IRF8和IRF4)（图3f），与它们与mTECs和树突状细胞的转录重叠一致。这些发现共同确立了Thetis细胞的独特身份，描绘了它们与mTEC和树突状细胞的共同和独特特征。
为了了解Thetis细胞亚群的潜在功能，分析它们的转录特征（图3g）。TC I表达典型的AIRE+ mTEC基因，包括Aire、Cd80、Cd86、Tnfrsf11b（编码OPG），以及与神经元粘附、信号传导和生长相关的基因（Nrxn1、Nrn1和Ncam1）。值得注意的是，最近一项研究外围AIRE表达细胞确定的“mTEC-like”RORγt+ AIRE+淋巴结细胞，同样区分神经元基因，可能代表AIRE+ TC I. TC II的独家表达一些独特的基因包括Pigr和Cldn7，进一步突出mTEC和Thetis细胞亚群之间的相似之处。TC III高水平表达AIRE和Nlrc5，MHCI类基因的关键调控因子。TC IV表达免疫调节基因（Cd274）以及与细胞迁移相关的基因（Marcks和Cxcl16）。
为了验证观察到的Thetis细胞表型设计了一组流式细胞术标记物（图3h）。通过CXCR6-的表达来区分MHCII+ ILC3与Thetis细胞（图3d，e，h）。在CXCR6- RORγt+ MHCIIhi细胞中证实了Thetis细胞亚群的存在（图3i），与TC I和TC III蛋白表达模式一致（图3j）。CCR6和SIGLEC-G是RORγt+ AIRE+细胞的标记物，它们在TC I和TC II中表达，而在TC III和TC IV中不表达（图3h，i）。AIRE+ TC I代表RORγt+ AIRE+细胞，称为Janus细胞，TCII-TCIV扩展了非ILC3 RORγt+ MHCII+细胞超出AIRE表达细胞（图3k）。总之，以上分析表明，Thetis细胞亚群在分子和功能上都是不同的。图3：Thetis细胞亚群的转录、表观遗传和本体学特征。
ILC3和DCs对于pTreg的生成是不可或缺的
鉴于Thetis细胞与在T细胞耐受中起作用的APC类型的重叠表型，假设Thetis细胞是相关的RORγ+用于指示pTreg细胞分化的MHCII+细胞类型。对Thetis细胞和ILC3转录组以及细胞表面蛋白表达的比较证实，与MHCII+ ILC3细胞相比，Theitis细胞富含与抗原呈递、T细胞活化和细胞迁移相关的分子（图4a、b）。此外，与Thetis细胞相比，没有观察到MHCII+ ILC3上CCR7蛋白的表达（图4c）。综上所述，这些结果表明Thetis细胞是感受态的APC。
对三周大的MHCIIΔRORα小鼠的分析证实，在ILC3上，MHCII的表达完全缺失，而在Thetis细胞中没有变化（图4d）。值得注意的是，MHCIIΔRORα小鼠的肠道T细胞组成没有受到干扰，在mLN和大肠中，CD4+ Teff和Treg细胞的比例和数量相同（图4e）。为了排除ILC3在晚年pTreg分化中的作用，在12周龄时检测了MHCIIΔRORα小鼠。与MHCIIΔRORgt小鼠相比，MHCIIΔRORα成年小鼠的pTreg频率正常，没有T细胞激活状态改变的证据（图4f），也缺乏结肠炎症的组织学迹象（图4g），进一步证实了MHCII介导的ILC3抗原呈递对肠道耐受性不是必需的。总之，这些发现表明，ILC3或CDC的MHCII抗原呈递对于pTreg细胞的分化是不可或缺的，使Thetis细胞成为pTreg诱导的RORγt+ APC。图4：肠增殖分化不需要ILC3s的表达。
本文确定了一种新的耐受性APC类型，它在宿主-微生物共生首次建立时在肠道中富集。TC IV指示胸腺外Treg细胞生成的发现为报道的建立肠道免疫耐受的早期生命窗口提供了细胞基础。未来对细胞生物学的探索可能为免疫耐受机制和自身免疫性和炎症性疾病的发病机制提供关键的见解。
教授介绍：
Chrysothemis C. Brown
Chrysothemis C. Brown，博士，是纽约纪念斯隆凯特琳癌症中心（MSKCC）的帕克高级研究员。她是MSCCC人类肿瘤学发病机制计划和发展肿瘤学部门的助理成员，也是纪念斯隆凯特琳医院儿科的助理主治医师。
Brown在英国牛津大学获得医学博士学位，并在伦敦完成了儿科的医学培训。她在Randy Noelle的指导下获得了免疫学博士学位，研究T细胞命运的转录和表观遗传调控。在她的博士后时期，Brown加入了亚历山大·鲁登斯基的实验室，担任惠康信托基金会临床研究员，从事免疫细胞命运转录调控的研究。在那里，她在小鼠和人类中发现了新的树突状细胞亚群。
Brown现在领导着她在MSKCC自己的实验室。该实验室的研究目标包括解码在肿瘤环境中塑造树突状细胞异质性的环境线索，并确定这些不同的树突状细胞在肿瘤生长，转移和肿瘤免疫中的作用。Brown实验室使用基因工程小鼠模型，单细胞基因组学和尖端空间分析的组合来解决这些问题。该实验室的另一项主要工作是绘制儿科免疫系统的发展图，以便将树突状细胞异质性的研究转化为成人和小儿实体瘤的治疗方法。
参考文献：
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