小肠组织驻留记忆CD8 T细胞多样性的时空印记

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组织驻留记忆CD8 T细胞多样性的时空印记

背景介绍

组织驻留记忆CD8 T细胞（Tissue-resident memory CD8 T cells, TRM细胞）在屏障部位（如肠道）提供长期的免疫保护。然而，TRM细胞的异质性及其形成机制尚不完全清楚。此前的研究发现，小肠中的TRM细胞至少分为两个亚群：一个具有更高的效应分子表达，另一个则具有更强的记忆潜能。这种异质性的起源尚不明确。本研究旨在探索不同组织微环境如何驱动TRM细胞的表型异质性，并揭示其在肠道中的时空分布规律。

论文来源

本论文由Miguel Reina-Campos、Alexander Monell等来自University of California, San Diego、La Jolla Institute for Immunology等机构的研究团队共同完成，并于2024年发表在Nature期刊上。研究结合了空间转录组学、小鼠模型和新型光学编码基因扰动技术，揭示了TRM细胞在小肠中的时空分布及其功能状态的调控机制。

研究流程与结果

1. 空间转录组学技术的应用

研究团队首先利用空间转录组学技术（Spatial Transcriptomics）对小鼠小肠进行了高分辨率分析。通过设计包含350个基因的检测面板，研究团队在小肠的不同解剖区域（如绒毛顶部和底部）捕捉了TRM细胞的基因表达谱。实验对象为感染了淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒（LCMV）的小鼠，研究人员在不同时间点（感染后6天、8天、30天和90天）采集了小肠样本。

实验结果：

  • TRM细胞的时空分布：研究发现，TRM细胞在小肠中的分布具有明显的区域化特征。感染早期（6天和8天），TRM细胞主要聚集在绒毛底部和肌肉层；而到了感染后期（30天和90天），TRM细胞分化为两个空间分离的群体：一个位于绒毛顶部，表达高水平的效应分子（如GZMA、GZMB）；另一个位于绒毛底部，表达与记忆潜能相关的基因（如TCF7、SLAMF6）。
  • 基因表达的时空印记：通过分析TRM细胞的基因表达，研究发现46%的基因表达沿绒毛-隐窝轴（crypt-villus axis）发生变化，40%的基因表达沿上皮距离轴（epithelial axis）发生变化。这表明TRM细胞的功能状态与其在小肠中的位置密切相关。

2. 细胞间相互作用与信号梯度

为了进一步探索TRM细胞异质性的机制，研究团队分析了TRM细胞与周围细胞的相互作用以及细胞因子梯度的分布。

实验结果：

  • 细胞间相互作用：研究发现，位于绒毛顶部的TRM细胞主要与上皮细胞和免疫细胞（如黏膜相关不变T细胞和自然杀伤细胞）相互作用，而位于绒毛底部的TRM细胞则更多地与B细胞、CD4 T细胞和成纤维细胞接触。
  • 细胞因子梯度：研究揭示了多种细胞因子（如TGFβ、IL-7、IL-15）在小肠中的梯度分布。例如，TGFβ信号在绒毛顶部更为活跃，而CXCL9和CXCL10信号在感染后主要在肌肉层底部的成纤维细胞中表达。

3. TGFβ和CXCR3信号的作用

研究团队通过基因敲除实验验证了TGFβ和CXCR3信号在TRM细胞定位和分化中的关键作用。

实验结果：

  • TGFβ信号的作用：敲除TGFβ受体II（TGFβRII）后，TRM细胞更多地聚集在绒毛底部，且其表达的核心TRM细胞标志物（如CD103）显著降低。这表明TGFβ信号对TRM细胞在绒毛顶部的定位和功能维持至关重要。
  • CXCR3信号的作用：通过CRISPR-Cas9技术敲除CXCR3基因，研究发现CXCR3缺失的TRM细胞更多地聚集在绒毛顶部，且其效应分子（如GZMA）表达增加。这表明CXCR3信号在调控TRM细胞的定位和功能状态中发挥了重要作用。

4. 人类小肠中的TRM细胞研究

为了验证小鼠研究结果的普适性，研究团队还对人类小肠样本进行了空间转录组学分析。

实验结果：

  • 人类TRM细胞的异质性：研究发现，人类小肠中的CD8 T细胞同样表现出与小鼠相似的异质性。位于绒毛顶部的CD8 T细胞表达高水平的效应分子（如GZMA、ITGAE），而位于绒毛底部的CD8 T细胞则表达与记忆潜能相关的基因（如TCF7）。
  • 细胞间信号传递：与小鼠研究结果一致，人类小肠中的TRM细胞也受到局部细胞因子和细胞间相互作用的调控。

研究结论与意义

1. 科学价值

本研究首次系统地揭示了TRM细胞在小肠中的时空分布规律及其功能状态的调控机制。研究结果表明，小肠的解剖结构通过区域性信号（如细胞因子梯度和细胞间相互作用）塑造了TRM细胞的异质性。这一发现为理解组织驻留免疫细胞的发育和功能提供了新的视角。

2. 应用价值

研究揭示了TGFβ和CXCR3信号在TRM细胞定位和分化中的关键作用，这为开发针对组织驻留免疫细胞的治疗策略提供了潜在靶点。例如，通过调控TGFβ或CXCR3信号，可能能够增强TRM细胞在特定组织中的功能，从而提高疫苗效力或抗肿瘤免疫反应。

3. 研究亮点

  • 高分辨率空间转录组学技术：研究团队开发了新型计算框架，能够在小肠的三维解剖轴上捕捉细胞类型和基因表达的时空分布。
  • 光学编码基因扰动技术：研究首次在体内实现了多路光学编码的CRISPR敲除实验，为研究免疫细胞分化提供了新的工具。
  • 跨物种验证：研究不仅在小鼠模型中揭示了TRM细胞的异质性，还在人类样本中验证了其普适性。

总结

本研究通过结合空间转录组学、基因扰动技术和跨物种验证，系统地揭示了TRM细胞在小肠中的时空分布及其功能状态的调控机制。研究不仅深化了我们对组织驻留免疫细胞的理解，还为开发新型免疫治疗策略提供了重要的理论基础和技术支持。