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题目：Pre-T cell receptor self-MHC sampling restricts thymocyte dedifferentiation
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2022年11月21日
通讯作者单位：达纳-法伯癌症研究所
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05555-7
主要内容：
免疫系统的T细胞通过一个线型承诺的步骤发展，然后是两个检查点。第一个检查点需要完成承诺，这一发现为T细胞的发展提供了一个新的视角。
癌症和受感染的细胞是免疫系统T细胞的目标。杜克-科汉等人在《自然》杂志上撰文，提出了对驱动T细胞形成的早期事件的见解。
大多数哺乳动物的T细胞在胸腺中发育时经历了一个严酷的选择过程。它们的生存取决于其T细胞受体（TCRs；由α-和β-链成分组成的蛋白质）与主要组织相容性复合体（MHC）分子结合的肽片段（称为抗原）相互作用的能力。
对于已经离开胸腺的成熟T细胞来说，MHC分子可以向TCR提出与 "非自身"、非正常制剂（如病毒）相关的抗原。然而，在胸腺中，MHC分子与正常存在于体内的 "自我 "抗原形成复合物。如果不成熟的T细胞未能与这些自我结构结合，或结合得太紧，细胞就会被杀死。这种取决于TCRαβ、MHC和抗原的检查点被称为积极和消极选择。TCR的结合特异性取决于TCRα和TCRβ的编码序列，这些序列是通过β编码基因的重新排列，然后是α编码基因的重新排列而随机产生。这个容易出错的过程产生了许多非功能性的重排，以及TCRαβ结构的不同组合。
大多数细胞未能通过选择而死亡，但通过一轮初步的选择，即β-选择，幸存者的产量得到提高，其中只有成功重排β基因以表达功能性TCRβ链的细胞才能进入下一步。然后这些细胞在进行α链重排之前被刺激增殖。这个过程导致能够表达多样化、功能性TCR结构的细胞富集，然后具有与自身抗原和MHC复合物结合得太紧密的TCRαβ的细胞被淘汰出局。Duke-Cohan等人提出的证据表明，β-选择也需要夹紧T细胞系身份本身（图1）。
T细胞可以在一个称为T细胞谱系承诺的早期发育过程中获得其身份。当它们进入胸腺时，随后将形成T细胞的细胞类似于被称为多能血液前体的细胞，这些早期T细胞前体如果从胸腺中移出，仍能生成非T细胞。这类细胞在承诺时失去了制造非T细胞的能力，这伴随着细胞核的广泛变化，包括基因表达和基因组DNA中积极参与基因调控的部分。
在这个过渡点，发育中的T细胞沉默了保持替代系选择的基因的表达，如调节基因Spi1，并表达支持T细胞分化的基因。细胞的生存能力也变得高度依赖于通过Notch途径的信号传递。在承诺期间沉默的基因在T细胞系中保持永久 "关闭"，除非是恶性肿瘤。
除了允许TCR基因重排所需的细胞生长停滞外，承诺和β-选择步骤被完全承诺的细胞的多轮增殖所分隔。因此，作者发现了这两个不同过程之间的联系是值得注意的。
检测是否存在成功的β链基因重排的生物化学作用，长期以来一直存在争议。TCRβ链，缺乏α伙伴，形成一个称为pre-TCR的膜复合物，其信号伙伴与成熟TCR使用的信号伙伴相似。以前的证据表明，组装好的前TCR可能向细胞发出信号，表明已经发生了成功的β链重排，而不一定与特定的结合伙伴（配体）相互作用。例如，成功的β选择的一个标志是缺乏CD4和CD8蛋白表达的前体T细胞（双阴性，或DN，细胞）过渡到表达这两种蛋白（成为双阳性，或DP，细胞），即使TCRβ链中介导抗原接触的部分不存在，这也会发生。这种抗原或MHC识别的独立性将使β选择不同于后来根据其完全组装的TCRαβ复合物与自身抗原和MHC的相互作用而进行的阳性或阴性选择的细胞。
然而，一些遗传和结构上的证据表明，前TCR也可以与后来与TCRαβ复合物相互作用的同样的MHC分子相互作用，从而诱发更严格的阳性和阴性选择过程。该证据表明，前TCR与MHC复合物的独特构象消除了MHC的α链结合的需要。
作者通过比较正常T细胞前体在明确的体外环境中的分化，使用存在或不存在MHC结合的抗原的基质细胞，测试了前TCR与MHC的相互作用对β选择是否重要。在环境中没有MHC的情况下发育的T系细胞仍然可以分化，达到DP阶段。因此，从表面上看，这些结果与早期的证据一致，即可以绕过前TCR-MHC相互作用。
然而，作者进行了更仔细的研究，使用了多种方法（单细胞RNA测序和单细胞TCR重排分析）来描述在有或没有MHC结合的抗原的情况下分化产生的细胞亚群的基因表达模式。在缺失MHC的实验环境下，分化后出现的具有不同结合特异性的TCRβ结构（称为TCRβ谱系）的范围，相对于在有MHC存在的情况下分化的对照组来说，确实有所偏斜。此外，基因表达的证据显示，没有MHC接触的β选择是惊人的不正常。
众所周知，正常β选择的后果远远超出了TCR选择。通过β选择出现的DP细胞在基因表达模式和被称为染色质的DNA和蛋白质复合物的配置方面与它们的前体（称为DN3a细胞）有很大的不同，而且这些细胞逐渐失去对Notch途径信号的强烈依赖。作者报告说，在没有与MHC相互作用的β选择过程中，细胞没有完全执行这种基因表达的变化，未能从DN3a正常切换到随后的DN3b、DN4和DP细胞程序，即使细胞表面的标记物表达表明细胞已经超过了DN3a阶段。
从这种MHC缺失的β选择形式中出现的两个细胞亚群甚至更加反常。尽管表达了TCRβ和其他T细胞系特异性基因，但这些异常细胞也表达了参与免疫细胞中性粒细胞系分化的基因。这些基因包括在T细胞系承诺之前或期间通常被沉默的基因，包括Spi1。作者使用独特的TCRβ重排的基因序列，不仅是为了评估剧目变化，而且也是作为细胞系的追踪器。这些高度异常组中的细胞与启动较正常发育的前体有关，但它们的血统与那些在正常道路上进一步发展的细胞不同。
表达最反常基因谱的细胞具有异常高的细胞周期基因的表达，这表明可能与肿瘤的形成有关。因此，拥有信号能力的前TCR而没有适当的结合伙伴，如环境中的MHC，似乎会破坏细胞的承诺状态的稳定性。其含义是，尽管有细胞分裂的间隔周期，承诺本身在一些细胞中可能仍然是暂时的，直到它被β选择锁定。
关于这项研究的一个注意事项是它与体内发生的情况的关系。当作者检查MHC缺陷小鼠胸腺中的T细胞前体时，结果要微妙得多，没有明显的异常细胞类型，只有一只小鼠出现了T细胞前体衍生的癌症。
有几个可能的原因导致体内和体外的结果不同。在体外，一组前体细胞被跟踪到发育的一个特定时间点，而在体内，有多组细胞存在，它们在胸腺中的时间长度不同。因此，在体内，短命的细胞类型将被低估，异常的细胞可能已经被称为巨噬细胞的清道夫细胞清除在胸腺中。
此外，其他微环境的差异可能会限制体内异常细胞的产生，例如，如果胸腺基质细胞表达更广泛的替代β选择配体，而不是MHC。这种配体还没有被发现。出现这种差异也可能是因为胎儿细胞是在体外使用的，而成人细胞是在体内分析的，胎儿和成人前体细胞有不同的发育特征。
Duke-Cohan等人发现了一个耐人寻味的证据，即可能的机制可以在体内补偿常规MHC的缺乏。MHC缺陷突变小鼠的胸腺免疫细胞具有高于正常的 "非经典 "MHC分子的表达，这些分子与常规MHC分子有关，但又不同。DP细胞在后期对同系T细胞的这种配体的识别可以引导另一种形式的积极选择19。可以想象，高水平的非经典MHC也可能为β选择提供一个替代配体。
作者的研究结果表明，在β选择中MHC和pre-TCR之间的相互作用可以在阳性选择之前塑造DP细胞的TCRβ曲目，而人们通常认为DP细胞在这一步之前是发育相当的。但在作者用来研究分化的体外系统中，只可能发生与一种称为I类的MHC的相互作用，而在正常胸腺中，另一种MHC（II类）也可能在β选择中发挥作用。在β选择之后，在阳性选择过程中，TCRαβ识别的MHC类别已知会指导T细胞的 "效应 "命运选择（这些细胞是否成为辅助性或杀伤性T细胞）。在MHC I类上选择的TCRβ链是否会导致整个成熟的TCR复合体在其首选的MHC相互作用伙伴类型上偏向于I类，甚至在这些TCRβ链与随机的TCRα配对之后？
如果是这样，那么从β选择中出现的DP群体可能是一个具有不同TCRβ复合物的细胞马赛克，基于选择它们的MHC，并且可能已经偏向于其他效应物命运的偏好。因此，β-选择可能会影响T细胞的发育特性，既通过确认早期承诺步骤的完成，又通过对后来的阳性选择步骤的方向的可能影响。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05555-7
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