健康观察 T细胞发育过程细究
图片
早期胸腺祖细胞ETP从离开骨髓到血液中然后定位到胸腺的:ETP在血液中表达一些归巢分子,如趋化因子受体CCR7和CCR9,以及P-选择素糖蛋白配体-1(PSGL-1)。这些归巢分子使ETP能够识别并结合胸腺的血管内皮细胞上的相应配体,如CCL19、CCL21和P-选择素。ETP通过与血管内皮细胞的相互作用,降低其滚动速度,增加其黏附力,从而在胸腺的血管壁上停留和滚动。图片
365建站ref:zhagalov I, Phee H. How to find your way through the thymus: a practical guide for aspiring T cells. Cell Mol Life Sci. 2012 Mar;69(5):663-82.ETP通过跨越血管内皮层[特殊的血管结构(高内皮小静脉,high endothelial venules,HEVs)]的细胞间连接,穿透血管壁,进入胸腺的皮质区。在接受有序、规范的“培训”之后,成熟T细胞进入血液,转移至外周淋巴组织(如脾脏、淋巴结等),在接受刺激后,再分化为效应性或记忆性T细胞,参与适应性免疫。图片
ref:Kumar BV, Connors TJ, Farber DL. Human T Cell Development, Localization, and Function throughout Life. Immunity. 2018 Feb 20;48(2):202-213.然而,随着年龄的增长,胸腺逐渐退化,胸腺细胞数量和质量下降,导致T细胞的产量和多样性减少。逐渐,身体中的T细胞总量主要依赖外周淋巴组织的T细胞增殖维持。T细胞的分化T细胞在胸腺中完成整个分化成熟过程。骨髓干细胞随血液到达胸腺,此时称前T细胞或胸腺细胞 (thymocyte)。胸腺基质细胞 (如胸腺上皮细胞)、巨噬细胞等可分泌胸腺素、胸腺生成素、胸腺激素和IL-7等细胞因子,并表达高水平的MHCI类、Ⅱ类分子,构成胸腺特定的内环境。前T细胞在这些激素、细胞因子的作用下以及与MHC分子的介导下,依赖胸腺微环境,受遗传控制,逐步分化成熟。T细胞的分化成熟过程分为双阴性、双阳性和单阳性三个时期。双阴性即不表达CD4和CD8,双阳性即CD4/CD8均表达,最终αβ T细胞只能表达其中一种辅助受体,发育完成后T细胞应分化成CD4辅助T细胞或者CD8杀手T细胞。双阴性阶段按照CD44和CD25(又叫IL-2R α链)是否表达又可以细分为4个阶段,即CD44+/-和CD25+/-四种组合。另外,TCR复合物中的CD3分子也是T细胞发育过程的一个重要标志物。T细胞的分群T细胞按照表达TCR链种类不同,可以将T细胞分为传统T细胞(α:β T细胞)和γ:δ T细胞。α:β T细胞表面只表达TCR α和β链,占T细胞的绝大多数(一般默认后天免疫的T细胞都是α:β T细胞);γ:δ T细胞表面只表达TCRγ和δ链,主要发挥天然免疫功能。α:β T细胞按照表达CD4或CD8不同,可以分为CD4+ T细胞和CD8+ T细胞。CD4+ T细胞又叫辅助T细胞,主要识别MHCⅡ类分子上的抗原肽,分泌多种细胞因子,协调和调节免疫应答。CD8+ T细胞又叫杀手T细胞或细胞毒性T细胞,主要识别MHCⅠ类分子上的抗原肽,通过释放穿孔素和颗粒酶等方式,杀死被病原体感染或者衰老、癌变的细胞(可应用在CAR-T疗法,参:CAR-T是个啥?)。CD4+ T细胞按照分泌的细胞因子不同,可以分为Th1,Th2,Th17, Th9和Treg等。Th1细胞受到IL-12,IFN-γ的刺激,分泌IFN-γ,TNF-α等细胞因子,主要参与细胞免疫,抵抗细胞内寄生虫和病毒感染。Th2细胞受到IL-4刺激分化而来,主要分泌IL-4,IL-5,IL-13等细胞因子,主要参与体液免疫,抵抗细胞外寄生虫感染,促进B细胞分化产生抗体。Th17细胞受到TGF-β,IL-6,IL-23的刺激,分泌IL-17,IL-22等细胞因子,主要参与黏膜和皮肤的免疫防御,抵抗真菌和细菌感染。Th9细胞受到TGF-β,IL-4的刺激,分泌IL-9等细胞因子,主要参与抗寄生虫和抗肿瘤的免疫反应。Treg细胞受到TGF-β,IL-2的刺激,分泌IL-10,TGF-β等细胞因子,主要参与免疫耐受和免疫抑制,维持免疫稳态。T细胞在胸腺中的选择T细胞在胸腺中经历了复杂的选择过程,以保证它们具有自身耐受和多样性。T细胞的TCR是由基因重排产生的,这个过程是随机的,因此可能产生一些无法与MHC分子结合的TCR,或者与自身MHC分子结合过强的TCR。这些TCR都是不利于机体的,因此需要被淘汰掉。正向选择是指T细胞的TCR能够与胸腺基质细胞表面的MHC分子结合,从而获得存活信号的过程。这个过程保证了T细胞的MHC限制性,即T细胞只能识别自身MHC分子上的抗原肽。正向选择发生在双阳性阶段,T细胞的TCR同时与MHCⅠ类和Ⅱ类分子结合,如果能够结合MHCⅠ类分子,T细胞会保留CD8分子,分化为CD8+ T细胞;如果能够结合MHCⅡ类分子,T细胞会保留CD4分子,分化为CD4+ T细胞。如果不能结合任何MHC分子,T细胞会因为缺乏存活信号而死亡,这称为死亡诱导。负向选择是指T细胞的TCR能够与胸腺基质细胞或胸腺髓质细胞表面的自身抗原肽结合,从而被诱导凋亡或者诱导分化为Treg细胞的过程。这个过程保证了T细胞的自身耐受性,即T细胞不会对自身抗原产生免疫反应。负向选择发生在单阳性阶段,T细胞的TCR只能与MHCⅠ类或Ⅱ类分子结合,如果与自身抗原肽结合过强,T细胞会被淘汰掉,以防止自身免疫疾病的发生;如果与自身抗原肽结合适度,T细胞会被诱导分化为Treg细胞,以维持免疫稳态。T细胞的成熟过程是一个复杂而精密的过程,它涉及到多种细胞因子、细胞表面分子和基因重排的调控。T细胞的成熟过程决定了T细胞的功能和特性,也影响了机体的免疫应答和免疫平衡。了解T细胞的成熟过程,有助于我们深入理解免疫系统的工作原理,也为免疫相关疾病的诊断和治疗提供了依据。T细胞是由造血干细胞分化而来的一种淋巴细胞,在发育早期阶段由骨髓迁移至胸腺(thymus),并在胸腺中发育成熟,故得名T细胞。T细胞在免疫反应中扮演着重要的角色,可以分为辅助性T细胞、细胞毒性T细胞、调节性T细胞和记忆性T细胞等亚型。图片
图片
T细胞发育过程如下:T细胞的前体细胞是共同淋巴祖细胞(CLP),它们来源于骨髓中的多能造血祖细胞(MPP),MPP又来源于造血干细胞(HSC)。CLP在骨髓内受到Notch信号通路的激活,使其分化为早期胸腺祖细胞(ETP),并表达CD44和Kit等细胞表面分子。ETP随着血流循环到达胸腺,穿过胸腺的血管内皮层,进入胸腺的皮质区。ETP在胸腺的皮质区开始增殖和分化,表达CD25等细胞表面分子,进入DN1阶段。DN1阶段的T细胞继续分化,开始重排TCR-β基因座,表达CD25和CD117等细胞表面分子,进入DN2阶段。DN2阶段的T细胞继续分化,完成TCR-β基因座的重排,表达CD25和CD27等细胞表面分子,进入DN3阶段。DN3阶段的T细胞继续分化,表达pre-TCR和CD3等细胞表面分子,进入DN4阶段。DN4阶段的T细胞继续分化,开始重排TCR-α基因座,表达CD4和CD8等细胞表面分子,进入DP阶段。DP阶段的T细胞继续分化,完成TCR-α基因座的重排,表达TCR-α:β复合物和CD3等细胞表面分子,进入阳性选择和阴性选择的过程。阳性选择和阴性选择的过程中,T细胞与胸腺上皮细胞和胸腺髓质细胞表面的MHC分子结合,检验其对自身抗原和外来抗原的识别能力,淘汰掉不能识别或过度识别的T细胞,保留能够适度识别的T细胞。通过阳性选择和阴性选择的T细胞继续分化,根据其与MHC-I或MHC-II分子的结合能力,确定其为CD4+ T细胞或CD8+ T细胞,表达CD62L和CCR7等细胞表面分子,进入SP阶段。SP阶段的T细胞继续分化,表达CD45RA等细胞表面分子,成为成熟的初级T细胞,从胸腺的髓质区穿过血管内皮层,进入血液循环,迁移到外周淋巴组织,发挥其免疫功能。图片
- DN1阶段:DN1细胞是由骨髓中的造血干细胞(hematopoietic stem cells,HSCs)分化而来的,它们通过血液循环进入胸腺,通过特殊的血管结构(高内皮小静脉,high endothelial venules,HEVs)穿过胸腺被膜,进入胸腺的皮质区。DN1细胞的表型为Lineage-CD44+CD25-CD117+,即不表达任何淋巴细胞谱系特异性的分子,但表达CD44,CD25和CD117三种分子。DN1细胞在胸腺中大量增殖,同时失去B细胞和髓系细胞的分化潜能,开始表达CD25分子,进入DN2阶段。- DN2阶段:DN2细胞的表型为Lineage-CD44+CD25+CD117+,即在DN1细胞的基础上增加了CD25分子的表达。DN2细胞在胸腺上皮细胞(thymic epithelial cells,TECs)的刺激下,开始进行TCRβ链的基因重排,即在TCRβ链的可变区(V区)和恒定区(C区)之间,随机选择一个多肽段(D段)和一个连接段(J段)进行连接,形成VDJ组合。DN2细胞在完成TCRβ链的重排后,停止表达CD44分子,进入DN3阶段。- DN3阶段:DN3细胞的表型为Lineage-CD44-CD25+CD117+,即在DN2细胞的基础上减少了CD44分子的表达。DN3细胞在胸腺中接受β选择,即检验它们的TCRβ链是否能够与pre-TCRα分子和CD3复合体形pre-TCR,并在细胞表面呈现【主要排除的移码突变和中间插入终止子】。只有能够形成预TCR的DN3细胞才能存活,而不能形成预TCR的DN3细胞则会凋亡。β选择的目的是确保TCRβ链具有结构完整性和功能正常性。通过β选择的DN3细胞会停止表达CD25和CD117分子,进入DN4阶段。- DN4阶段:DN4细胞的表型为Lineage-CD44-CD25-CD117-,即在DN3细胞的基础上减少了CD25和CD117分子的表达。DN4细胞在胸腺中开始进行TCRα链的基因重排,即在TCRα链的可变区(V区)和恒定区(C区)之间,随机选择一个连接段(J段)进行连接,形成VJ组合。DN4细胞在完成TCRα链的重排后,开始表达CD4和CD8两种分子,成为双阳性(double positive,DP)T细胞,进入下一个发育阶段。阳性选择(positive selection):DP T细胞在胸腺的皮质区接受阳性选择,即检验它们的TCR是否能够与胸腺上皮细胞(thymic epithelial cells,TECs)表面的MHC分子结合。只有能够与MHC分子结合的DP T细胞才能存活,而不能结合的DP T细胞则会凋亡。阳性选择的目的是确保T细胞具有MHC限制性(MHC restriction),即只能识别与自身MHC分子匹配的抗原。单阳性化(single positive,SP):DP T细胞在阳性选择后,会根据它们的TCR与MHC I类或MHC II类分子的亲和力,选择性地表达CD4或CD8分子,成为单阳性(single positive,SP)T细胞。与MHC I类分子结合的DP T细胞会保留CD8分子,而丢失CD4分子,成为CD8+ SP T细胞,也称为细胞毒性T细胞(cytotoxic T cells,CTLs)。与MHC II类分子结合的DP T细胞会保留CD4分子,而丢失CD8分子,成为CD4+ SP T细胞,也称为辅助性T细胞(helper T cells,Ths)。CD8+ T细胞和CD4+ T细胞在免疫反应中发挥不同的作用。阴性选择(negative selection):SP T细胞在胸腺的髓质区接受阴性选择,即检验它们的TCR是否能够与自身抗原结合。自身抗原是一种由机体自身产生的分子,通常不会引起免疫反应。如果SP T细胞的TCR能够与自身抗原结合,表明它们具有自身反应性(self-reactivity),可能会对机体造成损伤。因此,这些SP T细胞会被消除或调节,以建立自我耐受性(self-tolerance)。阴性选择的目的是避免T细胞对自身组织的攻击。图片
阳性选择是T细胞发育过程中的一个重要步骤,它发生在胸腺的皮质区,目的是确保T细胞具有MHC限制性,即只能识别与自身MHC分子匹配的抗原。阳性选择的对象是双阳性(double positive,DP)T细胞,即同时表达CD4和CD8两种分子的T细胞。这些T细胞的TCR(T细胞受体)已经通过基因重排产生了多样性,但是不一定能够与MHC分子结合。MHC分子是一种能够呈递抗原的分子,分为MHC I类和MHC II类两种类型。MHC I类分子主要呈递内源性抗原,如受病毒感染的细胞产生的抗原,MHC II类分子主要呈递外源性抗原,如吞噬细胞吞噬的细菌产生的抗原。阳性选择的过程是这样的:- DP T细胞在胸腺的皮质区与胸腺上皮细胞(thymic epithelial cells,TECs)接触,TECs表面表达了MHC I类和MHC II类分子,以及一些自身抗原,如胸腺独特的抗原(thymus-specific antigen,TSA)或其他组织的抗原(tissue-restricted antigen,TRA)。- DP T细胞的TCR尝试与TECs表面的MHC-抗原复合物结合,如果能够结合,表明DP T细胞具有MHC限制性,能够识别自身MHC分子,这样的DP T细胞会收到存活信号,继续发育。- 如果DP T细胞的TCR不能与TECs表面的MHC-抗原复合物结合,表明DP T细胞缺乏MHC限制性,不能识别自身MHC分子,这样的DP T细胞会收到死亡信号,被淘汰。- 如果DP T细胞的TCR能够与TECs表面的MHC-抗原复合物结合,还要看它们的亲和力,如果亲和力过高,表明DP T细胞具有自身反应性,可能会对自身组织造成损伤,这样的DP T细胞也会被淘汰。【那么,为什么亲和力过高的DP T细胞会被淘汰呢?这是因为亲和力过高的DP T细胞的TCR与TECs表面的MHC-抗原复合物结合后,会产生过强的信号,导致细胞内的钙离子浓度升高,激活一种名为Bim的蛋白,它可以促进细胞凋亡的发生。另外,亲和力过高的DP T细胞的TCR与TECs表面的MHC-抗原复合物结合后,也会激活一种名为Fas的蛋白,它可以与TECs表面的Fas ligand结合,触发细胞凋亡的途径。因此,亲和力过高的DP T细胞会被淘汰,以避免它们对自身组织的攻击。】- 此外,该正选择过程还决定T细胞将成为CD8 + T细胞还是CD4 + T细胞。通过阳性选择的DP T细胞会根据它们的TCR与MHC I类或MHC II类分子的亲和力,选择性地表达CD4或CD8分子,成为单阳性(single positive,SP)T细胞。与MHC I类分子结合的DP T细胞会保留CD8分子,而丢失CD4分子,成为CD8+ SP T细胞,也称为细胞毒性T细胞(cytotoxic T cells,CTLs)。与MHC II类分子结合的DP T细胞会保留CD4分子,而丢失CD8分子,成为CD4+ SP T细胞,也称为辅助性T细胞(helper T cells,Ths)。CD8+ T细胞和CD4+ T细胞在免疫反应中发挥不同的作用。具体机理来说,如果 TCR 复合物与 MHC II 类强烈结合,该复合物将发送细胞内信号以诱导称为 ThPOK 的蛋白质的表达。该蛋白会降低另一种关键蛋白 Runx3 的表达,该蛋白负责驱动 CD8 表达。由于 Runx3 水平较低会导致 CD8 水平较低,因此这些 ThPOK+、Runx3- 细胞会变成 CD4+。然而,如果发育中的 T 细胞与 MHC II 类结合不牢固,ThPOK 水平将会较低,因此 Runx3 水平将会较高,从而推动 T 细胞分化为 CD8 +细胞。总之,正选择过程导致能够识别 MHC 复合物的成熟 CD8 +和 CD4 + T 细胞的存活。阴性选择阴性选择是T细胞发育过程中的一个重要步骤,它发生在胸腺的髓质区,目的是建立自我耐受性,即避免T细胞对自身组织的攻击。阴性选择的对象是单阳性(single positive,SP)T细胞,即只表达CD4或CD8分子的T细胞。这些T细胞的TCR(T细胞受体)已经通过阳性选择证明了能够与自身MHC分子结合,但是不一定能够区分自身抗原和外源抗原。自身抗原是一种由机体自身产生的分子,通常不会引起免疫反应。外源抗原是一种由外来病原体或物质产生的分子,通常会引起免疫反应。阴性选择的过程是这样的:- SP T细胞在胸腺的髓质区与胸腺树突状细胞(thymic dendritic cells,TDCs)接触,TDCs表面表达了MHC I类和MHC II类分子,以及一些自身抗原或外源抗原,如胸腺独特的抗原(thymus-specific antigen,TSA)或其他组织的抗原(tissue-restricted antigen,TRA)。- SP T细胞的TCR尝试与TDCs表面的MHC-抗原复合物结合,如果能够结合,表明SP T细胞具有自身反应性,可能会对自身组织造成损伤,这样的SP T细胞会收到死亡信号,被淘汰。- 如果SP T细胞的TCR不能与TDCs表面的MHC-抗原复合物结合,表明SP T细胞具有自我耐受性,不会对自身组织造成损伤,这样的SP T细胞会收到存活信号,继续发育。- 如果SP T细胞的TCR能够与TDCs表面的MHC-抗原复合物结合,还要看它们的亲和力,如果亲和力较低,表明SP T细胞具有调节性,能够抑制其他免疫细胞的活性,维持免疫稳态和耐受性,这样的SP T细胞会分化为调节性T细胞(regulatory T cells,Tregs),并表达特异性的转录因子FOXP3。那么,介导具有自身反应性的T细胞死亡的机理和过程是什么呢?和阳性选择中强亲和力的路径一致,这主要涉及到两种途径,即细胞内的凋亡途径和细胞外的凋亡途径 。- 细胞内的凋亡途径是指SP T细胞的TCR与TDCs表面的MHC-抗原复合物结合后,会产生过强的信号,导致细胞内的钙离子浓度升高,激活一种名为Bim的蛋白,它可以促进细胞凋亡的发生。Bim是一种促凋亡的Bcl-2家族蛋白,它可以与抑制凋亡的Bcl-2家族蛋白结合,释放出一种名为Bax的蛋白,Bax可以在线粒体外膜上形成孔道,导致细胞色素C的释放,细胞色素C可以激活一种名为caspase-9的蛋白,caspase-9可以激活一种名为caspase-3的蛋白,caspase-3可以切割细胞内的多种底物,导致细胞的核酸和蛋白质的降解,最终引起细胞凋亡 。- 细胞外的凋亡途径是指SP T细胞的TCR与TDCs表面的MHC-抗原复合物结合后,也会激活一种名为Fas的蛋白,它可以与TDCs表面的Fas ligand结合,触发细胞凋亡的途径 。Fas和Fas ligand是一种属于TNF受体和TNF超家族的蛋白,它们的结合可以招募一种名为FADD的蛋白,FADD可以激活一种名为caspase-8的蛋白,caspase-8可以直接或间接地激活caspase-3,从而引起细胞凋亡。阴性选择最有趣的方面之一是它主要发生在胸腺中,这意味着 T 细胞仅依赖胸腺中的细胞在 MHC 分子上呈递自身肽。正因为如此,人们很容易认为负选择只会删除对胸腺自肽表现出反应性的 T 细胞……但是胃、皮肤或肺特异的肽-MHC 复合物呢?负选择中幸存下来的 T 细胞是否会离开胸腺,只去杀死我们其他器官的细胞?显然,情况并非如此,原因在于一种称为自身免疫调节剂(AIRE)的蛋白质。AIRE 在胸腺中的作用是诱导许多通常不在胸腺细胞中表达的蛋白质的表达,例如肺部特征的蛋白质。通过这种方式,发育中的 T 细胞会接触到许多肽-MHC 复合物,而不仅仅是那些通常由胸腺细胞表达的复合物,从而在 T 细胞离开胸腺后防止自身免疫。 本站仅提供存储服务,所有内容均由用户发布,如发现有害或侵权内容,请点击举报。