前言

在慢性抗原刺激(如感染、移植、癌癥和自身免疫)過程中,T細(xì)胞干性和耗竭作為兩個(gè)關(guān)鍵的對比現(xiàn)象共存。T細(xì)胞干性描述T細(xì)胞的干細(xì)胞樣行為,包括自我更新、多能性和功能持久性。T細(xì)胞耗竭是指慢性抗原暴露導(dǎo)致效應(yīng)器功能逐漸喪失,耗竭的T細(xì)胞(TEX)高表達(dá)多種抑制性受體,在細(xì)胞增殖和細(xì)胞因子產(chǎn)生方面表現(xiàn)出嚴(yán)重缺陷。

人們普遍認(rèn)為,原始T細(xì)胞和某些記憶性T細(xì)胞亞群具有干細(xì)胞樣特性。在研究慢性感染和癌癥中T細(xì)胞的耗竭分化時(shí),最近的研究強(qiáng)調(diào)了“耗竭前體”T細(xì)胞(TPEX)在最終分化為TEX細(xì)胞之前的干性。臨床上成功的檢查點(diǎn)阻斷癌癥治療似乎能激活抗腫瘤TPEX細(xì)胞,但不能激活TEX細(xì)胞。

因此,了解T細(xì)胞干性和耗竭的轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳學(xué)調(diào)控,以及系統(tǒng)免疫學(xué)過去和將來如何用于定義TPEX向TEX細(xì)胞轉(zhuǎn)化的分子基礎(chǔ),將有助于更好地理解T細(xì)胞的干性和耗竭,以開發(fā)新的免疫治療策略。

記憶T細(xì)胞的干性

適應(yīng)性免疫依賴于在自然急性感染或接種疫苗后創(chuàng)造的免疫記憶。產(chǎn)生長壽命抗原特異性記憶淋巴細(xì)胞是免疫記憶的細(xì)胞基礎(chǔ),T細(xì)胞干性包括T細(xì)胞自我更新和分化為多種下游細(xì)胞類型的能力,這種能力稱為多能性。

對小鼠記憶T細(xì)胞的早期研究確定了CD62L+CD44+中樞記憶T(TCM)和CD62L–CD44+效應(yīng)記憶T(TEM)細(xì)胞。TCM細(xì)胞的終末分化程度低于TEM細(xì)胞。單個(gè)原始T細(xì)胞和單個(gè)TCM細(xì)胞在抗原刺激下產(chǎn)生的后代大小和多樣性非常相似。此外,來自單個(gè)初級TCM細(xì)胞的后代含有次級TCM細(xì)胞。當(dāng)次級TCM細(xì)胞被單獨(dú)轉(zhuǎn)移到新宿主并暴露于抗原時(shí),它們再次產(chǎn)生不同的子代細(xì)胞,包括效應(yīng)器T(TEFF)、TCM和TEM細(xì)胞。

有一種幼稚的記憶性T細(xì)胞群,其分化程度甚至低于TCM細(xì)胞。這些細(xì)胞被命名為記憶干T細(xì)胞(TSCM),TSCM細(xì)胞與原始T細(xì)胞有許多相似之處,然而,它們是在抗原刺激后表達(dá)Bcl-2、Sca-1、IL-2Rβ、CXCR3和CD95水平升高。

TSCM細(xì)胞直接從幼稚的T細(xì)胞發(fā)育而來,IL-7對于體外從幼稚T細(xì)胞發(fā)育人類TSCM細(xì)胞至關(guān)重要,而IL-15支持其擴(kuò)增。許多研究支持了記憶性T細(xì)胞分化的漸進(jìn)模型,遵循原始T細(xì)胞→TSCM→TCM→TEM。

TPEX細(xì)胞的干性

PD-1/PD-L1檢查點(diǎn)阻斷對不同癌癥的治療有效。由于TEX細(xì)胞通常表達(dá)高水平的PD-1,因此T細(xì)胞耗竭的逆轉(zhuǎn)被認(rèn)為是PD-1/PD-L1阻斷的潛在機(jī)制。

2016年發(fā)現(xiàn)TCF1+PD-1+TPEX細(xì)胞后,這一觀點(diǎn)發(fā)生了巨大變化。研究發(fā)現(xiàn)TCF1+PD-1+CD8+T細(xì)胞亞群類似于慢性LCMV感染期間的干細(xì)胞,經(jīng)歷自我更新,并分化為終末TCF1–PD-1+TEX細(xì)胞。TCF1不僅是該細(xì)胞亞群的標(biāo)志物,而且在其產(chǎn)生中也起著重要作用。更重要的是,PD-1阻斷后的增殖爆發(fā)幾乎完全來自該細(xì)胞亞群。

TCF1+PD-1+TIL表現(xiàn)出干細(xì)胞樣功能,因?yàn)樗鼈兘閷?dǎo)了免疫治療的增殖反應(yīng),產(chǎn)生TCF1+PD-1+和分化的TCF1–PD-1+細(xì)胞。一項(xiàng)研究通過Tcf7白喉毒素受體(DTR)系統(tǒng)清除腫瘤特異性TCF1+CD8+T細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)TCF1+PD-1+TIL的消除確實(shí)限制了免疫治療的反應(yīng)。因此,免疫檢查點(diǎn)阻斷可能是依賴于干細(xì)胞樣TCF1+PD-1+TIL的增殖,而不是依賴于T細(xì)胞耗竭程序的逆轉(zhuǎn)。

T細(xì)胞干性的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

隨著研究的深入,調(diào)節(jié)T細(xì)胞干性的轉(zhuǎn)錄因子逐漸被揭示。轉(zhuǎn)錄因子TCF1不僅是記憶T細(xì)胞干性的標(biāo)志物,也是記憶性T細(xì)胞干性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。TCF1缺陷小鼠產(chǎn)生正常的主要效應(yīng)T細(xì)胞反應(yīng),但在急性感染高峰時(shí),它們基本上缺乏CD8+記憶前體細(xì)胞。急性感染后,TCF1缺乏嚴(yán)重?fù)p害CD8+TCM的分化、壽命和對抗原的反應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)表明TCF1調(diào)控CD8+記憶T細(xì)胞的干性和命運(yùn)。

TCF1也是慢性抗原暴露期間TPEX細(xì)胞的標(biāo)志物和關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。TCF1缺乏會導(dǎo)致TPEX細(xì)胞的產(chǎn)生障礙。此外,Chen等人使用scRNA-seq和譜系追蹤研究慢性感染早期的T細(xì)胞狀態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)TCF1在培養(yǎng)TPEX細(xì)胞時(shí)抑制KLRG1hi終末效應(yīng)T細(xì)胞的發(fā)育。因此,盡管TCF1促進(jìn)TPEX細(xì)胞生成并維持慢性反應(yīng),但它可能抑制T細(xì)胞發(fā)揮直接效應(yīng)器功能。

轉(zhuǎn)錄因子BACH2是CD8+T細(xì)胞記憶分化所必需的。研究發(fā)現(xiàn),BACH2與TCR驅(qū)動基因的增強(qiáng)子結(jié)合,降低了AP-1位點(diǎn)對Jun家族轉(zhuǎn)錄因子的可用性,此過程限制終末效應(yīng)細(xì)胞分化。因此,效應(yīng)T細(xì)胞下調(diào)BACH2表達(dá)以促進(jìn)效應(yīng)器命運(yùn)分化,相比之下,BACH2的表達(dá)能夠產(chǎn)生長壽命的記憶細(xì)胞。

BACH2是慢性抗原暴露期間TPEX細(xì)胞的重要調(diào)節(jié)因子。研究表明BACH2缺乏會損害TCF1+CD8+TPEX細(xì)胞的生成,而BACH2過表達(dá)會在慢性感染的早期階段加強(qiáng)其生成。因此,BACH2積極促進(jìn)對干細(xì)胞樣CD8+TPEX譜系的生成,并保護(hù)TPEX細(xì)胞免受終末耗竭。

Id3是負(fù)調(diào)節(jié)DNA結(jié)合E蛋白的Id蛋白家族成員,對CD8+記憶性T細(xì)胞的形成至關(guān)重要。Id3在TCF1+TIM3–TPEX細(xì)胞中高度表達(dá)。當(dāng)TPEX細(xì)胞最終分化為TIM3+T細(xì)胞時(shí),Id3和TCF1逐漸丟失。因此,Id3和TCF1都是TPEX細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄標(biāo)記。Id3是否調(diào)節(jié)TPEX細(xì)胞狀態(tài)尚不清楚。

轉(zhuǎn)錄因子c-Myb是CD8+T細(xì)胞干性的另一個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。在抗腫瘤疫苗接種后,Myb缺陷型CD8+T細(xì)胞易于終末分化,產(chǎn)生的干細(xì)胞樣TCM細(xì)胞少于Myb充足型T細(xì)胞。相反,c-Myb過表達(dá)促進(jìn)CD8+T細(xì)胞記憶和回憶反應(yīng),從而引發(fā)治療性抗腫瘤免疫。系統(tǒng)免疫學(xué)方法進(jìn)一步表明,在CD8+T細(xì)胞中,c-Myb促進(jìn)TSCM細(xì)胞的形成,抑制終末分化,并促進(jìn)TCF1+TPEX細(xì)胞的持久性。

記憶性T細(xì)胞干性的表觀遺傳調(diào)控

在急性感染時(shí),T細(xì)胞經(jīng)歷顯著的表觀遺傳重組以實(shí)現(xiàn)多種功能。

DNA甲基化通常會抑制細(xì)胞中的基因表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn),CD8+記憶前體最初獲得Dnmt3a依賴的從頭開始的DNA甲基化程序,以抑制某些幼稚相關(guān)基因的表達(dá),并在效應(yīng)器相關(guān)基因的位點(diǎn)上去甲基化(允許表達(dá))。為了發(fā)育成長壽記憶T細(xì)胞,這些記憶前體細(xì)胞會清除原始相關(guān)基因位點(diǎn)的從頭甲基化程序,以允許其重新表達(dá),而關(guān)鍵效應(yīng)基因仍保持去甲基化狀態(tài)。因此,在記憶細(xì)胞發(fā)育過程中,T細(xì)胞可能丟失并重新表達(dá)一些干細(xì)胞/幼稚相關(guān)基因。充分發(fā)育的記憶T細(xì)胞表達(dá)幼稚的相關(guān)基因,并在再次感染時(shí)發(fā)揮效應(yīng)器功能。

組蛋白H3賴氨酸9(H3K9)和27(H3K27)的甲基化與轉(zhuǎn)錄抑制高度相關(guān)。SUV39H1是一種使H3K9甲基化的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶。研究發(fā)現(xiàn),SUV39H1缺失的CD8+T細(xì)胞在終末效應(yīng)細(xì)胞分化期間無法沉默干/記憶基因,并增加了長期記憶重編程能力。

多克隆抑制復(fù)合物2(PRC2)通過H3K27的甲基化沉默基因表達(dá)。EZH2是PRC2的催化亞單位。EZH2缺乏損害末端效應(yīng)細(xì)胞分化。

T細(xì)胞耗竭

近三十年前,Moskophidis等人用LCMV-D感染小鼠,大量LCMV-D的存在產(chǎn)生高抗原負(fù)荷,迫使特異性抗病毒CD8+細(xì)胞毒性T細(xì)胞耗竭。由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制,研究發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)象,但尚未從分子機(jī)制上解釋。

如今,系統(tǒng)免疫學(xué)方法允許我們超越傳統(tǒng)的細(xì)胞表面標(biāo)記物或細(xì)胞因子表達(dá),從而使我們能夠觀察支持各種T細(xì)胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)錄、表觀遺傳學(xué)和代謝編程。2007年,Wherry等人使用微陣列分析研究慢性LCMV感染后CD8+T細(xì)胞衰竭的分子特征。發(fā)現(xiàn)CD8+TEX細(xì)胞過度表達(dá)PD-1和其他抑制性受體,表達(dá)一組獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄因子,并存在嚴(yán)重的代謝和生物能量缺陷。這些發(fā)現(xiàn)首次揭示了TEX細(xì)胞如何在分子水平上逐漸失去效應(yīng)器功能。

ScRNA-seq技術(shù)為研究T細(xì)胞生物學(xué)開辟了新的領(lǐng)域。許多最初的scRNA-seq研究檢測了不同類型癌癥中的T細(xì)胞狀態(tài),CD8+TEX細(xì)胞通常優(yōu)先富集在腫瘤微環(huán)境中。從那時(shí)起,T細(xì)胞耗竭已成為一個(gè)公認(rèn)的術(shù)語,用來描述T細(xì)胞對慢性感染和癌癥的反應(yīng)。

T細(xì)胞耗竭的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

T細(xì)胞耗竭發(fā)生在慢性抗原刺激期間,高抗原負(fù)荷導(dǎo)致T細(xì)胞衰竭。高抗原負(fù)荷不僅維持抗原的慢性刺激,而且還可通過TCR提供重復(fù)的抗原刺激。

TCR誘導(dǎo)的信號激活NFAT轉(zhuǎn)錄因子家族,活化的NFAT蛋白反過來與其他轉(zhuǎn)錄因子(如AP-1家族)相互作用,以控制T細(xì)胞活化和效應(yīng)細(xì)胞分化。缺乏NFAT的CD8+T細(xì)胞不能表達(dá)耗竭相關(guān)抑制受體。

TOX是由NFAT啟動誘導(dǎo)的次級轉(zhuǎn)錄因子。TOX可能不參與急性感染時(shí)效應(yīng)和記憶T細(xì)胞狀態(tài)的分化。相反,在慢性感染和癌癥中,TOX是CD8+T細(xì)胞耗竭程序的關(guān)鍵驅(qū)動因素。研究發(fā)現(xiàn),TOX表達(dá)對TCF1+TPEX細(xì)胞的形成和維持以及隨后的終末TEX細(xì)胞分化至關(guān)重要。沒有TOX,TPEX細(xì)胞形成受損,TEX細(xì)胞無法形成。Tox缺陷的CD8+細(xì)胞不上調(diào)抑制性受體的基因,如Pdcd1、Entpd1、Havcr2、Cd244和Tigit。

NR4As(NR4A1、NR4A2和NR4A3)也是啟動NFAT誘導(dǎo)的次級轉(zhuǎn)錄因子。在慢性病毒感染或腫瘤中,CD8+T細(xì)胞表達(dá)高水平的NR4As,NR4As在T細(xì)胞功能障礙/耗竭程序中起著重要作用。剔除CAR-T細(xì)胞中的所有三種NR4A可促進(jìn)腫瘤消退并延長荷瘤小鼠的生存期。

BATF是AP-1家族轉(zhuǎn)錄因子的成員。它與JunB形成二聚體,在活化的T細(xì)胞中作為AP-1活性的阻遏物。有人認(rèn)為BATF是耗竭驅(qū)動因素之一,BATF表達(dá)升高與HIV感染時(shí)CD8+T細(xì)胞耗竭相關(guān)。沉默T細(xì)胞中的BATF可以拯救HIV特異性T細(xì)胞功能。

BATF、BACH2和NR4A1都對AP-1活性具有抑制作用。BACH2抑制AP-1依賴性效應(yīng)基因以維持TPEX細(xì)胞,而BATF和NR4A1促進(jìn)終末耗竭。總之,TCR-NFAT-TOX/NR4A軸驅(qū)動CD8+T細(xì)胞的耗竭程序。

T細(xì)胞耗竭的表觀遺傳學(xué)特征

耗竭T細(xì)胞的表觀遺傳學(xué)特征與效應(yīng)和記憶T細(xì)胞的表觀遺傳學(xué)特征明顯不同。Sen等人使用ATAC-seq定義CD8+T細(xì)胞中的染色質(zhì)可及區(qū)(CHAR)。TEX細(xì)胞與效應(yīng)/記憶T細(xì)胞相比,在耗竭相關(guān)基因(如Pdcd1、Havcr2、Batf)附近表現(xiàn)出更高的ChARs峰值強(qiáng)度。

此外,研究發(fā)現(xiàn),在LCMV-Cl13感染后,抗原特異性T細(xì)胞獲得不同于效應(yīng)和記憶T細(xì)胞的耗竭相關(guān)表觀遺傳學(xué)特征。雖然PD-L1阻斷可重新激活T細(xì)胞對LCMV-Cl13的反應(yīng),但它在很大程度上無法重塑耗竭相關(guān)的表觀遺傳學(xué)特征。因此得出結(jié)論,TEX細(xì)胞的表觀遺傳穩(wěn)定性限制了PD-L1阻斷效應(yīng)的持久性。

另一項(xiàng)研究表明,通過藥物調(diào)節(jié)的degron系統(tǒng)在CAR-T細(xì)胞中誘導(dǎo)短暫休息后,耗竭的CAR-T細(xì)胞可以發(fā)生表觀遺傳重塑。四天誘導(dǎo)可使耗竭的CAR-T細(xì)胞的表觀遺傳圖譜類似于未耗竭的對照CAR-T細(xì)胞。重要的是,短暫休息可以恢復(fù)耗竭CAR-T細(xì)胞的抗腫瘤功能�？傊�,TEX細(xì)胞具有不同于效應(yīng)和記憶T細(xì)胞的表觀遺傳學(xué)特征。耗竭相關(guān)表觀遺傳狀態(tài)的穩(wěn)定性在耗竭的CAR-T細(xì)胞中可能不同于TEX細(xì)胞。

組織環(huán)境和代謝的影響

解剖位置和與抗原的可及程度決定了T細(xì)胞的狀態(tài)。例如,在慢性病毒感染研究中,更多終末分化的TEX細(xì)胞存在于脾臟的紅髓中,而脾臟是LCMV感染的主要部位。分化程度較低的TPEX細(xì)胞主要定位于白髓的T細(xì)胞區(qū)。

環(huán)境是否通過配體結(jié)合、營養(yǎng)素利用率和局部細(xì)胞因子產(chǎn)生指示T細(xì)胞狀態(tài)?抗原豐度是否由于鄰近而導(dǎo)致過度TCR刺激,從而導(dǎo)致終末效應(yīng)器分化或耗竭?這些問題仍有待回答。然而,不可否認(rèn)的是,環(huán)境因素在決定T細(xì)胞狀態(tài)中起著極為重要的作用。組織環(huán)境可能是改善或抑制T細(xì)胞功能的有吸引力的靶點(diǎn)。

例如,在腫瘤微環(huán)境中,癌細(xì)胞壞死引起的細(xì)胞外鉀升高抑制TCR驅(qū)動的Akt-mTOR磷酸化和TIL效應(yīng)器功能。這種抑制作用取決于絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶PP2A的活性。其他局部免疫細(xì)胞也會改變腫瘤微環(huán)境,從而改變T細(xì)胞反應(yīng)。例如,腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞可以分泌內(nèi)源性糖皮質(zhì)激素,這會下調(diào)效應(yīng)器功能,導(dǎo)致T細(xì)胞功能障礙和檢查點(diǎn)阻斷反應(yīng)差。腫瘤微環(huán)境中的M2樣抑制性巨噬細(xì)胞與耗竭的EOMEShiCD8+T細(xì)胞形成雙向抑制性相互作用,導(dǎo)致更差的臨床結(jié)果。

小結(jié)

在過去的幾十年中,我們對T細(xì)胞干性和耗竭的轉(zhuǎn)錄、表觀遺傳學(xué)和代謝調(diào)節(jié)的理解取得了巨大的進(jìn)展。這些關(guān)于各種T細(xì)胞狀態(tài)及其調(diào)節(jié)因子的令人振奮的新發(fā)現(xiàn)可能會讓我們深入了解如何找到免疫治療的切入點(diǎn)。隨著更多的機(jī)制被揭示出來,找到調(diào)節(jié)TPEX和TEX細(xì)胞命運(yùn)和功能的方法,將有可能可以徹底改變目前腫瘤免疫治療的局面。

參考文獻(xiàn):

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