Immunity: 万谊松组揭示 Th17 细胞两面性分化新机制

北京时间 2021 年 1 月 9 日, 美国北卡罗来纳大学教堂山分校微生物与免疫系万谊松教授团队(伍兵博士为第一作者)在 Immunity 上发表了文章 ——The TGF-b superfamily cytokine Activin-A is induced during autoimmune neuroinflammation and drives pathogenic Th17 cell differentiation

研究揭示了自身免疫疾病中 T 细胞内源性的 Activin-A 信号而不是相近的 TGF-b1 信号特异调控致病性 Th17 细胞的分化和功能

该研究不仅拓展了我们对 Th17 细胞两面性的认识,也为致病性 Th17 细胞相关的自身免疫疾病提供了潜在的治疗靶标。

Immunity: 万谊松组揭示 Th17 细胞两面性分化新机制

效应 T 细胞尤其是辅助性 CD4+T helper (Th) 细胞的过度激活会导致自身免疫疾病的发生,比如攻击神经系统髓鞘的多发性硬化症 (Multiples Sclerosis, MS) 和攻击关节的类风湿性关节炎。研究发现以表达细胞因子 IL-17(Interlukin-17) 和转录因子 RORgT 为典型特征的 Th17 细胞促进组织炎症发生,并在宿主抵抗病原体及自身免疫疾病的发病中起到重要作用。

 

但后续的研究发现 Th17 细胞在分化和功能上具有两面性。它同样具有非致病性,参与免疫稳态维持和调节。细胞因子组合 IL-1b+IL-6+IL-23 可诱导致病性 Th17 (Pathogenic Th17, pTh17) 细胞的分化,而经典的 TGF-b1+IL-6 能诱导非致病性 Th17 细胞 (Non-pathogenic Th17, bTh17) 的分化。

 

TGFb 超家族包括了 TGF-b、Activin、BMP、GDF 等 30 多个成员。Activin-A 与 TGF-b1(Transforming Growth Factor beta 1) 都属于多功能性细胞因子。广泛参与细胞增殖、分化、发育和炎症调节等一系列生物学活动。有趣的是,pTh17 细胞的分化不依赖 TGFb1 及其受体 ALK5。然而 TGFb 家族相关分子及共享信号分子 Smad2, Smad4, SKI 参与调节 Th17 细胞的致病性。

 

前期研究发现 Th17 细胞相关的自身免疫疾病的病人分泌大量 Activin-A,暗示 Activin-A 可能参与这些疾病的发生。不仅如此,Activin-A 可在体外诱导 IL-17 的表达。然而 Activin-A 是否参与 pTh17 细胞的分化及其致病功能仍不清楚。鉴于 Th17 细胞在自身免疫疾病发生中的重要作用,对致病性 Th17 细胞如何产生以及 Th17 细胞两面性的深入研究将有助于 Th17 介导的自身免疫疾病的精准治疗。

 

此项研究发现自分泌的 Activin-A-ALK4 信号是致病性 Th17 细胞分化和功能所必需

1)实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)是广泛应用的人类多发性硬化症的小鼠模型。相比健康对照组,多发性硬化症病人(MS)和 EAE 小鼠外周血中的 Activin-A 显著增加(图 A, B)。进一步分离发病部位脊髓浸润的 CD4+T 细胞发现,Activin-A 而非 TGFb1 在 EAE 小鼠中高表达,并与疾病严重程度呈正相关。与此同时,相比于 TGFb1+IL-6 诱导的 bTh17,炎性条件 IL-1b+IL-6+IL-23 诱导的 pTh17 也分泌更多的 Activin-A(图 C)

 

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2)利用 anti-Activin-A 中和抗体封闭 Activin-A、Activin-A 天然拮抗因子 Follistatin 抑制 Activin-A 信号、shRNA knock-down T 细胞中 Activin-A 的表达、CRISPR/Cas9-sgRNAs 敲除 T 细胞中的 Activin-A 多种手段都导致 pTh17 细胞分化水平显著降低、促炎性基因 Csf2,Il23r 表达减少而 non-pathogenic 的调节性基因 Cd5l,Il10 大量升高。同时 TGFb1+IL-6 诱导的 bTh17 则不依赖 Activin-A 信号。表明 T 细胞表达的 Activin-A 是致病性 Th17 细胞分化所必需

3)利用 T 细胞过继转移诱导小鼠产生 EAE 的模型表明 pTh17 利用自表达的 Activin-A 促进小鼠自身免疫疾病的发生发展。接受 Activin-A 缺失的 pTh17 细胞的受体小鼠 EAE 疾病发病率、疾病严重程度、IL-17 表达水平均显著低于对照组。

4)IL-6+Activin-A 可在体外有效诱导 Th17 细胞的产生。利用 RNA-seq 技术作者进一步发现 IL-6+Activin-A 诱导的 Th17(aTh17)在基因表达谱上与 IL-1b+IL-6+IL-23 诱导的 pTh17 十分相近,而显著区别于 TGFb1+IL-6 诱导的 bTh17 (图 D,E)。基因富集分析 (Gene set enrichment assay, GSEA) 表明相较于 bTh17 细胞,致病性促炎相关基因谱在 aTh17 中显著富集 (图 F)。而体内实验也证明 aTh17 细胞可有效促进 EAE 疾病的发生。

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5)体内体外炎性条件下 Activin-A 的特异性受体 ALK4 显著升高。相反,TGFb1 特异性受体 ALK5 的表达水平则明显降低。进一步实验表明 ALK4 维持 Activin-A 持续诱导 Th17 分化的能力。利用 CRISPR/Cas9-sgRNAs 敲除 T 细胞中 ALK4 证明 ALK4 是 pTh17 体外分化和体内诱导 EAE 疾病发生的必需分子。

6)作者继续构建了持续激活形式 (constitutively active form, CA) 的 ALK4 和 ALK5 (CA-ALK4 and CA-ALK5) 替代 Activin-A 和 TGFb1 信号。结果表明 CA-ALK4 促进致病性 Th17 相关基因表达而 CA-ALK5 促使调节性因子 IL-10 的升高。体内过继转移 CA-ALK4 过表达的 T 细胞也证实 CA-ALK4 显著促进 EAE 疾病的发生。

7)致病性 Th17 和非致病性 Th17 的分化依赖 Activin-A 和 TGFb1 差异化调控下游 ERK 信号的激活水平。相比于 aTh17 和 pTh17 中磷酸化 ERK 的高表达, bTh17 细胞中磷酸化水平的 ERK 显著降低。而封闭 ERK 信号导致致病性 Th17 细胞相关促炎基因的降低和调节性因子的升高。

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探索致病性 Th17 如何产生以及其与非致病性 Th17 区别分化背后的机理对于自身免疫疾病治疗十分重要

 

该课题组在此项工作中,1)发现 T 细胞自反馈的 Activin-A-ALK4 信号特异性促进致病性 Th17 的分化和神经系统炎症。2)首次提出 TGFb 超家族通路分别控制致病性 vs 非致病性 Th17 的分子机制。3)揭示了 ERK 信号在诱导致病性 Th17 细胞中的重要作用。

 

综上所述,这项研究不仅为 Th17 细胞分化和功能两面性的调控带来崭新的认识,也为 Th17 相关自身免疫疾病的治疗提供新的特异性靶标

 

文章来源:小柯生命

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参考资料:

https://doi.org/10.1016/j.immuni.2020.12.010

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