争鸣：记忆-T-细胞的前世今生.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date争鸣：记忆-T-细胞的前世今生争鸣：记忆-T-细胞的前世今生争鸣：记忆 T 细胞的前世今生 关于记忆 T 细胞的来源争论了几十年。近期两篇 Nature 和一篇 Science 再次掀起了记忆 T 细胞身世的讨论，揭示了 DNA 甲基化和组蛋白修饰介导的记忆 T 细胞的形成机制， 为理解 T 细胞的分化提供了新视角。然而，关于记忆 T 细胞身世的讨论从未停息。几乎每个

2、人都有摔倒的经历，摔倒后胳臂或手臂被蹭了一小块儿，地上的各种细菌从伤口处侵入。很快，被蹭到的地方会变红，一天之后就会结痂，三五天之后恢复如初。感染了细菌却能安然无恙，这得归功于我们强大的免疫系统。免疫系统犹如抗敌的城池我们人体就像是一座坚不可摧的城堡，之所以坚不可摧，得益于这座城堡的三道防线，由皮肤和黏膜组成的第一道防线，由先天免疫组成的第二道防线，这两道防线可以阻隔绝大多数的病原体；一旦病原体突破了这两道防线，已兵临城下，我们的机体将启动第三道防线由 T 淋巴细胞和 B 淋巴细胞为核心的获得性免疫。1796 年 5 月 14 日，英国医生爱德华詹纳（Edward Jenner）在八岁男孩詹姆

3、士菲利浦（James Phipps）的胳膊上划了几道伤口，为他接种了牛痘，这一划，也将时代划分为“人类对天花束手无策的时代”和“人类攻克天花的年代”。牛痘的接种让小男孩获得了对抗天花的免疫力，这是获得性免疫的最早线索。获得性免疫中的主角是 B 淋巴细胞和 T 淋巴细胞。敌人已经兵临城下，城池底下有短兵相接的双方士兵，而 B 淋巴细胞就像守城的士兵，他并不直接杀死敌人，而是告诉弓箭手，城池底下的士兵中哪些是敌人，然后弓箭手开始射杀敌人。在免疫系统里面，B 细胞是通过抗体对病原体进行标签，从而达到标记病原体的目的。一旦敌人侵入或潜入了城池，这个时候 T 细胞就要发挥功能了。T 细胞尊贵得多，更像是

4、守城的将领，当城内的士兵捕获了一批敌人时，送到将领前面，然后将领当面把他们消灭。在我们的免疫系统中，负责押解敌人的是抗原呈递细胞（APC，Antigen presenting cell）。以 T 细胞为核心的细胞免疫可以看成是人体免疫系统的终极底线，一旦他们被突破，后果将不堪设想。因此，T 细胞免疫显得格外重要。按照功能可将 T 细胞分为杀伤性 T 细胞、辅助性 T 细胞和调节性 T 细胞。 首先来说说杀伤性 T 细胞，即细胞毒性 T 细胞（cytotoxic T cell）。之所以叫细胞毒性 T 细胞，是因为他杀敌的方式比较特别，一旦他知道自己内部有哪些人接受了叛反的思想，他会果断把这个人干

5、掉，舍弃这个人；相对应地，在免疫系统里，一旦病原体（比如病毒）侵入了细胞，T 细胞会直接把这个细胞杀掉，因此得名细胞毒性 T 细胞。此外，细胞毒性 T 细胞另外一个神奇的地方在于，当他干掉敌人后，他还会记住敌人，下次当有类似的敌人入侵时，就可以快速地消灭敌人，而这正是通过接种牛痘对抗天花的奥秘所在。为了以示区分，直接发挥杀伤作用的 T 细胞成为效应 T 细胞（effector），而具有特殊记忆的 T 细胞成为记忆 T 细胞（memory T cell），它们可在体内存活十年甚至更久。此外还有辅助性 T 细胞（Helper T cell, Th）,他像是后勤保障人员，大敌当前时，他们可以为其他士

6、兵制造武器，让士兵的杀敌功能变强。在免疫系统中，Th 细胞通过分泌各种对其他细胞很有用的细胞因子（白介素 2 或者干扰素 ）发挥功能。还有一类是调节性 T 细胞（T regulatory cell，Treg）。刚才我们提到，一旦敌人潜入城池，这个时候就要有人把敌人揪出来，但是也不能揪错了，把好人认成了坏人，需要有人向纠察官反复核实和确认，而 Treg 扮演的正是这个角色。三类 T 细胞分工明确，相互协作。他们都有自己独特的标签，也就是常见的 CD，即 cluster of differentiation，可译为“分化簇”，是免疫细胞表面的一种膜蛋白，用于识别特定的抗原。细胞毒性 T 细胞的标签

7、是 CD8（下文都将此类细胞称为 CD8 T 细胞），Th 的标签是 CD4，而 Treg 的标签是 CD4 和 CD25，并且表达 FOXP3。T 细胞分化的三种模型俗话说，人生的三个终极问题为“我是谁”、“我从哪里来”、“我要到哪里去”。细胞表面的标签已经部分回答了“T 细胞是谁”的问题，科学家们将目光聚焦到“T 细胞从哪里来”和“到哪里去”。鉴于 T 细胞在对抗病毒和癌细胞以及免疫治疗的过程中发挥着至关重要的作用，因此探究 T 细胞的身世也具有很强的现实意义，特别是指导相应疫苗的设计。探究 T 细胞的前世今生，其实也就是探究原始 T 细胞（na?ve T cell）到记忆 T 细胞的黑箱

8、以及 na?ve T cell、效应 T 细胞和记忆 T 细胞间关系的过程。毫无疑问的是，记忆 CD8 T 细胞的起源是 na?ve T 细胞，但是是直接分化而来的，还是中间经历了其他细胞状态呢？科学家们对这个问题争论了很久。针对这个问题，早在 2009 年，Nature Reviews Immunology 向四位该领域中杰出的科学家寻求答案 1，四位大牛科学家各抒己见。从左到右依次为埃默里大学的 Rafi Ahmed，HHMI 的 Michael J. Bevan，杜克大学的 Steven L. Reiner 以及剑桥大学的 Douglas T. Fearon文章系统性地阐述了三种记忆性

9、CD8 T 细胞的分化模型。模型 a: 线性分化模型。在线性分化模型中，naive T 细胞在抗原的刺激下产生效应 T 细胞，这个时候效应 T 细胞有两条路可以选，一条路是变成静息的终末分化 T 细胞，在病原体被清除后，它的使命也就完成了，之后走向凋亡；另一条路是分化为效应记忆细胞（effector memory T cells，TEM），TEM 的显著特征包括 CD62L 基因表达很低，而且不表达 CCR7 基因，还可以跑到淋巴结中，细胞复制受限。进一步的，TEM 可以分化为长久存在的中心记忆 T 细胞（central memory T cells, TCM)，此时 TCM 表达 CCR7

10、和 CD62L，并且在淋巴组织中进行稳态的增殖。模型 b: 分支分化模型。分支分化模型认为，在抗体识别之后，一个 T 细胞通过不对称分裂，产生两个命运不同的子细胞，其中远端的子细胞产生中心记忆 T 细胞 TCM ，而近端的子细胞产生效应记忆细胞 TEM 和效应 T 细胞。模型 c: 自我更新效应模型。第三种是自我更新模型，该模型认为，na?ve T 细胞可以分化成为中心记忆 T 细胞 TCM 或者可以自我更新的效应 T 细胞，这些细胞都可以进入到淋巴组织中，并进行稳态增殖；而这些细胞可以进一步分化为效应记忆细胞 TEM ，它可以迁移到感染的位点，但不能自我更新；而进一步地，效应记忆细胞 TEM

11、 可以分化为静息状态的终末分化的效应 T 细胞。想必你跟我一样，已经被上面的这些概念绕晕了。T 细胞的分化确实是一个非常复杂，这中间涉及很多细胞的中间状态，每一类中间状态的细胞都有其显著的特征，或者反过来，具有显著特征的细胞我们归为一类。截至到现在，T 细胞的分化依然存在很多争论。表观遗传介导的 CD8 T 细胞分化正如曹雪涛院士对 2017 年国内外免疫学研究重要进展 2 进行总结时候提到的，表观遗传对免疫功能的调控具有重要的作用。2017 年 12 月 28 日，Nature 同期发布了两篇文章 3,4，分别在小鼠和人中揭示了 DNA 甲基化介导的 CD8 T 细胞的分化过程，而仅仅半个月

12、后，Science 在小鼠中揭示了另一来关键的表观遗传调控方式组蛋白甲基化对 CD8 T 细胞分化中的关键功能 5。 两篇 Nature 均为此前提到的 Rafi Ahmed 课题组（一篇与其他课题组合作）的成果，而这篇 Science 则来自巴黎科学艺术人文大学。在半个月内接连三篇顶级文章从不同模型和不同角度揭示同一问题，这种情况也是极少见的！下面我们将分别以 NL、NA 和 S 来简称 Nature 的 Letter、Article 以及这篇 Science。NL 认为，长久存在的记忆 CD8 T 细胞来源于效应 T 细胞的一个亚群（称之为记忆前体效应 T 细胞），特别注意标题中的去分化（

13、dedifferentiate）一词，因为效应 T 细胞此前一直被认为是终末分化细胞，分化潜能低于记忆 T 细胞。NA 跟 NL 的结论基本相同，不同的是，NA 是在人里面做的，而 NL 是在小鼠中；此外，NA 还系统性地研究了人类长期存在的记忆 CD8 T 细胞的周转周期以及寿命。通过对比，研究者惊讶地发现，在小鼠中，病毒特异性的记忆性 CD8 T 细胞每 45 天分裂一次，而在人中，分裂周期为 476 天，要远远比小鼠中的长。两篇 Nature 的对比，点击图片，可放大查看此外，NL 和 NA 文章都发现，表观遗传在记忆性 CD8 T 细胞的形成过程中扮演了关键角色。正如守城的士兵，在没有

14、敌人的时候，生活安宁，单纯美好；而一旦敌人入侵，必须舍弃掉安宁和稳定，需要一些新的特质，比如战斗力。T 细胞也正是这样做的，在病毒感染之前，na?ve T 细胞中主要表达 na?ve 功能相关的基因（证明你是你自己的一种方式），比如 Sell 基因（编码一种可以让淋巴细胞转移到淋巴组织中的细胞黏附分子 CD62L，也称为 L-selectin）。而我们都知道，基因启动子区域的 DNA 甲基化通常负向调控基因的表达，研究也确实证实，na?ve T 细胞 Sell 基因的启动子区域处于完全未甲基化状态。而一旦病毒感染后，Sell 基因的启动子区域很快（疫苗接种后前 4 天）甲基化，Sell 基因表

15、达下调；而与此同时，效应 T 细胞功能相关的基因的启动子呈现去甲基化，表达上调。Sell 基因的启动子区域甲基化变化趋势，急性感染时期（day 4 和 day 8）Sell 基因启动子区域被甲基化，而病毒被清除后（day 62），甲基化又被去掉。但是值得注意的是，一场战争来临时，出征的士兵目的各不相同，有的人是被迫征召入伍，他们虽然舍弃掉了平日稳定的生活状态，但是在战场上表现平平；而另一批人在放弃安逸生活的同时，在战场上英勇杀敌，希望成为日后的中坚力量。na?ve T 细胞分化而来的效应 T 细胞中，确实也存在这样的两类细胞，一类是终末分化的效应 T 细胞（terminal effectors

16、，TE），他们是前者，敌人被清除后走向死亡；而另一类是记忆前体细胞（memory precursors，MP），他们很显然是后者，敌人被清除后，他们会主动回到之前的安宁状态（因为在安宁状态才可以养精蓄锐，繁衍生息，为下一场战争做准备），进一步变成记忆 T 细胞，在体内巡查。在抗敌的时候，TE 和 MP 中 na?ve 相关的基因都通过 DNA 甲基化被抑制；但 MP 不同的是，很多效应 T 细胞相关的基因的 DNA 甲基化被去除，提示他们的态度更加积极；此外，病毒清除后，之前被抑制的那些 na?ve 基因又会重新表达。 TE 和 MP 相对于 na?ve T 细胞的差异甲基化区域（DMR），其

17、中 Sell、Ccr7 和 Tcr7 是na?ve 相关的基因，而 Gzmb、Ifng 和 Prf1 是效应 T 细胞相关的基因进一步的研究发现，病毒感染后 na?ve T 细胞中 na?ve 相关基因的启动子区域的迅速的甲基化是依赖于 DNA 从头甲基化酶 DNMT3A 的；而人为地敲除 DNMT3A 会让 MP 更容易变成记忆 T 细胞。DNMT3A 条件性敲除（cKO）会显著提升 MP（特征是 Klrg1 低表达，L-selectin 高表达）在外周血单核细胞中的比例。我们用一个小视频来回顾一下 NL 的主要研究内容。在表观遗传特征上，除了 DNA 甲基化，NA 文章利用 ATAC-se

18、q 对比了 na?ve T 细胞、效应 T 细胞以及记忆 T 细胞的染色质开放程度。综合转录组数据和染色质开放程度的数据，研究人员发现了一个非常有意思的现象：记忆 T 细胞的转录组更像 na?ve 细胞，但是它的表观遗传状态却与效应 T 细胞更像。na?ve T 细胞、效应 T 细胞以及记忆 T 细胞转录组（左边）和染色质开放程度（右边）的主成分分析（PCA），在转录组的 PCA 中，记忆 T 细胞与 na?ve 的距离更近，表示它们更像；而在 ATAC-seq 中，记忆 T 细胞与效应 T 细胞更近，表明它们更像。这正如你在一座安宁祥和的城里遇到两个人，这两个人都过着平静安逸的生活，但是其中

19、一个人可能没有经历过任何风浪，自始至终都过着安稳平静的生活；而另外一个人，他目光投向远方，眼神中流露出岁月的沧桑，他跟普通人不一样，因为他曾经身经百战，在战场上立下赫赫战功，不信你看他背上的伤疤。尽管记忆 T 细胞与 na?ve 的转录组很像，但是表观遗传状态透露了记忆 T 细胞曾经是一个英勇的效应 T 细胞。表观遗传调控基因的表达的方式除了 DNA 甲基化，还有组蛋白修饰。S 文提出，当遇到抗原（Antigen，Ag）时，na?ve T 细胞会先进入一种 Stem（Stem 其实也就是 NL 和 NA 文提到的 na?ve）相关基因与效应基因都打开的中间状态，此后中间态细胞有两条路，一条路是

20、通过 Suv39h1 介导的 H3K9me3 抑制 stem 相关基因的表达，进而分化为效应 T 细胞； 另一条路是通过未知的机制先关闭效应基因，分化为记忆 T 细胞的前体 MP，当抗体再次入侵时，MP 分化为效应 T 细胞，这个时候效应基因又重新打开，stem 和 effector 呈现“双开”的场景。 虽然 S 文并没有指出效应 T 细胞可通过去分化形成记忆 T 细胞，但是我们确实看到了，当 Suv39h1 敲除后，CD8 T 细胞最终更多地转化为记忆 T 细胞。这一现象与两篇 Nature 的观点不谋而合，只不过他们的解释不同。如果用两篇 Nature 的观点来解释 Science 的现

21、象，那么刚才的模式图的内容需要进一步丰富。何为“细胞身份”？在遗传学上，记忆 T 细胞更像 na?ve T 细胞，但是在表观遗传学上，更像效应 T 细胞。这也揭示了，为什么此前会有很多人认为记忆T细胞是直接从 na?ve T 细胞分化而来的。同时，这个有意思的现象也引发了很多思考。比如跟你坐在同一个教室自习的同学，在平静的岁月里，大家都一样上课、吃饭、睡觉；但是，每个人的经历不同，只有遇到艰难困苦时，一个人的意志品质才能得到充分体现。正如当病原体再次入侵时，由效应 T 细胞来源的记忆 T 细胞有条不紊地重新分化为效应 T 细胞，英勇杀敌，效率很高；而 na?ve T 细胞则经过好几个中间态，慢

22、慢摸索才找到制敌之道。参考文献：1 Ahmed R, Bevan MJ, Reiner SL, et al. The precursors of memory: models and controversies. Nat Rev Immunol. 2009, 9(9):662-8.2 刘娟，曹雪涛. 2017 年国内外免疫学研究重要进展. 中国免疫学杂志, 2018, 34(1): 1-10.3 Youngblood B, Hale JS, Kissick HT, et al. Effector CD8 T cells dedifferentiate into long-lived memor

23、y cells. Nature. 2017, 552(7685):404-409.4 Akondy RS, Fitch M, Edupuganti S, et al. Origin and differentiation of human memory CD8 T cells after vaccination. Nature. 2017, 552(7685):362-367.5 Pace L, Goudot C, Zueva E, et al. The epigenetic control of stemness in CD8+ T cell fate commitment. Science. 2018, 359(6372):177-186.-