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祁海团队《Nature》发文揭示高亲和力抗体筛选的新机制

作者:刘波    来源自:中国免疫学会    点击数:6976   发布时间:2021-04-21
       2021年4月1日,《Nature》杂志发表了清华大学免疫学研究所祁海教授课题组题为“Affinity-coupled CCL22 promotes positive selection in germinal centres(亲和力耦联的CCL22促进生发中心正向筛选)”的研究论。该研究发现抗体免疫应答中,趋化因子CCL22促进高亲和力抗体产生的新机制,为未来改进疫苗研发提供了潜在新靶点。

亲和力耦联的CCL22促进生发中心正向选择:T细胞的帮助信号(接触依赖、亲和力耦联)使B细胞上调CCL22,CCL22使这个B细胞可以招募到更多T细胞来光顾,从而更有可能得到来自T细胞的更多帮助信号,而更多帮助信号又使得这些亲和力高的细胞表达更多CCL22,进一步招募T细胞。这一正反馈循环,促进高亲和力抗体的筛选。

       抗体是机体抵御病毒、细菌等病原体侵袭的重要免疫机制。诱导保护性抗体的疫苗,是遏制包括新型冠状病毒在内的多种病原体传播的重要武器。保护性抗体不仅需要特异性地识别病原体(抗原),而且还需要和抗原的结合足够紧密(亲和力高),才能阻断病原体对细胞、组织的侵染。抗体由B细胞产生,但能产生高亲和力抗体的B细胞只是少数;它们发生于被称为 “生发中心”的淋巴组织里,并通过一个达尔文式的演化筛选过程被从很多亲和力不同的B细胞中选择出来,进而分化成浆细胞(不断分泌抗体的B细胞)。这个达尔文式的演化筛选过程,被称为“亲和力成熟”。亲和力成熟过程中,亲和力不同的B细胞所要竞争得到的决定性因素是T细胞的帮助信号。T细胞通过与B细胞的直接接触来传递这些可以让B细胞生存、克隆增殖的帮助信号。亲和力越高的B细胞,在接触T细胞时能得到的帮助信号就越多,存活的就更好,增殖的就更多,也更易于分化成浆细胞。然而,由于种种原因,生发中心里的T细胞和B细胞每一次接触都很短暂,导致即使是高亲和力B细胞也需要连续和多个T细胞多次接触才能获得足够的帮助信号来完成正向筛选。生发中心里B细胞多,T细胞少,而且这些细胞都在持续运动。高亲和力B细胞和T细胞有效碰撞的概率直接影响着亲和力成熟的效率。那么,T细胞和B细胞的相遇是完全随机的吗?亲和力成熟的过程在完全随机相遇的情况下肯定也能进行,但效率可能不高。祁海组研究者们猜测,可能存在某种机制有选择地促进T细胞和高亲和力B细胞的碰撞,从而提高抗体亲和力成熟的效率。有趣的是,如果这一假设成立,一个直接的理论推导就是T细胞应该在与B细胞碰撞之前就可以获得B细胞亲和力的信息。然而,这个推导出的预测有悖常理,因为T细胞只有在和B细胞接触后才能通过体验B细胞呈递的抗原多少来“获知”B细胞的亲和力高低。

       免疫系统使用被称为趋化因子的蛋白信号分子控制淋巴细胞的定向运动,从而实现细胞募集。祁海组研究者们因此猜测,或许高亲和力B细胞会通过某种机制高表达某种趋化因子来增强招募T细胞的能力;这样一来,T细胞远距离感知、趋化,就有可能有选择地追逐高亲和力B细胞,从而促进高效筛选得到分泌高亲和力抗体的浆细胞。为了检验这个假说,研究者们首先筛查了所有趋化因子,发现生发中心B细胞在接受T细胞帮助信号后会大幅度上调趋化因子CCL22的表达。生发中心的T细胞表达CCL22的受体CCR4。通过双光子活体显微成像技术,研究者们发现不管是T细胞缺失CCR4还是B细胞缺失CCL22和CCL17(CCL22的姊妹趋化因子,也作用于CCR4),都会导致T、B细胞的碰撞概率明显降低,说明生发中心内的确由趋化作用促进细胞间的互作。进一步,通过比较不同亲和力B细胞的趋化因子表达量、分析CCL22基因报告小鼠等实验,研究者们证实生发中心中高亲和力B细胞表达更多CCL22,而CCL22也能指征高亲和力B细胞。在体内,短时间内让B细胞接受更多来自T细胞的帮助信号能够快速提高CCL22的表达;如果快速阻断来自T细胞的帮助信号则快速降低CCL22的表达。由此看出,CCL22是一个与B细胞抗体亲和力耦联的因子,它作为标记可以向远处T细胞传递B细胞的亲和力信息,同时它还与T细胞帮助信号建立起一个正反馈循环。这个细胞间正反馈使得T细胞更多光顾亲和力高的B细胞,后者因此更容易获得更多帮助信号,而更多帮助信号又使得这些亲和力高的细胞表达更多CCL22,进一步招募T细胞(示意图)。祁海组研究者们通过免疫接种实验进一步证实了这一正反馈模型的两个重要推论:一、所有B细胞都不能产生趋化因子CCL22和CCL17时,亲和力成熟过程会变慢;二、如果被迫与野生型细胞在同一生发中心中竞争和被筛选,不能表达CCL22和CCL17的B细胞会因缺失招募T细胞帮助的能力而遭受更强的选择压力,不能有效参与生成分泌抗体的浆细胞的过程。最后,祁海组研究者们还发现人扁桃体生发中心T细胞也表达趋化因子受体CCR4,生发中心B细胞也响应T细胞帮助信号而上调趋化因子CCL22,而那些表达CCL22的生发中心B细胞富集表达很多T细胞帮助信号会上调的基因,暗示人生发中心有类似机制在工作。
       据此,祁海组研究者们揭示了一个由趋化因子CCL22介导的促进生发中心抗体亲和力成熟的新机制。利用分泌出去的趋化因子可作用于一定距离之外的原理,免疫系统巧妙地把本来只能通过T、B细胞直接接触才能传递的亲和力信息转化成了在一定距离外就可以获取的信息,从而更有效地把有限的T细胞帮助聚焦到亲和力最有可能提高了的B细胞上,促进了亲和力成熟。揭示出这一新机制,可能为抗体疫苗设计提供新思路。
       清华大学医学院刘波是本文的第一作者。该课题的资助来自于科技部国家重点研发项目计划、国家自然科学基金委、清华—北大生命科学联合中心、北京市科学技术委员会、北京生物结构前沿研究中心。

       原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03239-2
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