北京时间2月28日，清华大学免疫学研究所董晨课题组和陆军军医大学全军临床病理学研究所卞修武团队合作在Nature杂志发表题为 “Genome-wide analysis identifies NR4A1 as a key mediator of T cell dysfunction”的研究论文, 在T细胞功能调控领域取得重大进展, 为肿瘤免疫治疗提供了新的靶点。

 

摘要:          T细胞是适应性免疫系统的主要组成部分, 它们在病菌感染中被功能活化, 参与宿主防御, 但是遇到自身抗原或者在慢性感染和肿瘤微环境中, 它们会发生命运改变, 进入功能失能命运, 但是调控T细胞功能失能的分子机制会不清楚。本研究通过转录组及表观组学手段，发现功能缺陷的T细胞 [Dysfunctional T cell], 包括免疫耐受T细胞[Tolerant T cell]和慢性感染和肿瘤微环境导致的耗竭T细胞 [Exhausted T cell], 都特异性稳定高表达转录因子NR4A1。NR4A1对于自身免疫疾病和肿瘤免疫都起着关键负调控作用。机制上,它一方面通过竞争性结合AP-1在染色质的结合位点，从而阻抑T细胞功能分子的表达；另一方面，NR4A1与染色质超级增强子区域[Super enhancer]的结合能够促进组蛋白的乙酰化水平(H3K27ac)，引发免疫耐受相关基因的超表达。

 

相对于活化T细胞识别杀伤入侵病原体，T细胞对自身抗原的耐受是防止自身免疫疾病的重要机制。在T细胞激活过程中，活化性共刺激分子(B7.1，B7.1，和B7h)以及抑制性共刺激分子(CTLA-4，PD-1，B7H3，B7S1等)的多寡决定了T细胞活化或者耐受的命运。当抑制性共刺激分子主导时，T细胞分化成耐受T细胞。研究者利用同时缺失主要共刺激分子B7.1, B7.2和B7h的抗原递呈细胞将CD4+ T细胞分化成耐受T细胞(图1) 。转录组联合表冠组-组蛋白甲基化[H3K4me3 和H3K27me3]分析发现，相对于效应性T细胞亚型(Th1, Th2, Th17)，耐受T细胞展现独特的基因表达及表观修饰特征—效应基因表达大量下调，耐受及耗竭相关基因上调； 转录启动子区的H3K4me3修饰水平总体下降。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图1. 体外耐受T细胞的H3K4me3 修饰特征

 

进一步分析发现核受体家族转录因子-NR4A1在耐受T细胞稳定高表达；过表达NR4A1抑制T细胞的增殖以及效应功能，而NR4A1-/- T细胞效应功能过度活化，免疫耐受调节丧失，并能促发T细胞介导的肠炎。这些体内外实验表明NR4A1是调控T细胞活化或者免疫耐受的关键因子。

 

阻断T细胞免疫检查点是肿瘤免疫治疗的重要策略。重要的是，在小鼠淋巴瘤模型中，研究者发现肿瘤浸润的耗竭CD8+T细胞大量表达NR4A1，而在anti-PD1治疗组中，伴随着肿瘤浸润T细胞杀伤活力的部分恢复，NR4A1表达水平以及结合在开放染色质的数量显著下调。进一步的T细胞过继实验证明敲除NR4A1赋予CD8+T细胞更强的效应功能，更好地抵御肿瘤以及病毒的耗竭微环境的能力(图2)。

 

图2. NR4A1 表达水平与T细胞的肿瘤杀伤能力呈负相关

 

研究者进一步通过NR4A1 过表达的转录组学分析以及ChIP-seq 实验探究NR4A1调控T细胞功能失常的分子机制。他们发现，在耐受T细胞中，NR4A1的染色质结合位点与调控T细胞活化的关键转录因子AP-1的位点一致。进一步的EMSA，reporter assay以及NR4A1 过表达和其缺失细胞中的ChIP-seq实验证实，NR4A1能够竞争性结合AP-1在染色质的结合位点，从而阻抑AP-1-调控效应分子的表达。同时，NR4A1结合位点与染色质超级增强子区域[Super enhancer]组蛋白乙酰化 (H3K27ac)水平正相关：过表达NR4A1增强该区域的H3K27ac水平，进而上调免疫耐受和耗竭相关基因的转录；而敲除NR4A1 下调这些位点的H3K27ac (图3)。上述研究鉴定了以NR4A1为核心的转录调控T细胞耐受及耗竭新机制。

 

 

 图3. NR4A1 转录调控T细胞功能失常

 

本文共同第一作者分别是刘新东（陆军军医大学西南医院全军临床病理学研究所教授，清华大学免疫学研究所董晨教授的前博士后)、王云（陆军军医大学西南医院病理学研究所卞修武教授的研究生）、路惠平（清华大学董晨课题组成员）, 董晨、刘新东、卞修武是共同通信作者，其他合作者包括美国MD Anderson癌症中心、西雅图系统生物学研究所、陆军军医大学全军免疫学研究所、中山大学眼科中心和中科院上海生命科学研究院等单位研究人员。研究工作得到科技部（国家重点研究计划项目）、国家自然科学基金委、北京市科委、重庆市科委等资助。

 

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0979-8