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科研进展

Nature丨陈婷课题组揭示成纤维细胞调控自身免疫疾病的机制

发布时间:2021/12/16

常见的自身免疫性皮肤疾病具有区域性发病的特征。例如,超过80%的白癜风病人发病部位呈双侧对称分布,这种类型被称为非节段型白癜风(图11,2。在白癜风中,自体活化的CD8+ T细胞攻击黑色素细胞,导致皮肤出现白斑。全世界有0.5%2%的人患有此病,但目前还没有获FDA批准的治疗方案。既往的研究表明, IFN-γ信号对CD8+ T细胞导致的皮肤脱色至关重要3-6;然而,介导IFN-γ功能的细胞类型尚不清楚。另外,针对白癜风区域性发病的假说包括微生物群分布的区域差异、黑色素细胞抗原的表达差异、以及神经末梢释放的神经肽的差异等7-10。阐明自身免疫病的发病特征的调节机制可以帮助开发有效的治疗方案。

1 白癜风病人呈现双侧对称发病的特征

2021年1216日,北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院的陈婷研究团队在Nature杂志上发表了题为 Anatomically distinct fibroblast subsets determine skin autoimmune patterns的研究论文,通过单细胞转录组测序、小鼠模型和一系列遗传学实验方法,揭示了皮肤成纤维细胞在白癜风疾病中的重要作用:成纤维细胞是唯一必需的能招募和激活自体活性CD8+ T细胞的皮肤细胞;不同部位成纤维细胞对IFN-γ的响应能力决定其招募CD8+ T细胞的能力,并决定白癜风的发病位置偏好。

为了从细胞层面研究白癜风对称性分布的特征,作者首先对白癜风病人皮肤样本进行免疫荧光染色,发现CD8+ T细胞大量聚集在皮损与非皮损区域交界处。根据这种CD8+ T细胞的分布模式,可以推测白癜风疾病发生过程中存在一种募集机制,在皮损交界处协调招募CD8+T细胞,使CD8+T细胞一直处在病变皮肤前沿,驱动脱色区域逐步扩大。

通过单细胞转录组测序,作者发现白癜风病人皮肤中杀伤性CD8+ T细胞的比例比正常人高,且表达更高水平的IFNGGO分析表明,病人黑色素细胞、成纤维细胞的特异性基因在IFN-γ信号通路上富集。对IFN-γ下游pSTAT1信号的免疫荧光染色发现,白癜风病人皮肤中超过80%pSTAT1+细胞是成纤维细胞,以上结果说明成纤维细胞是白癜风病人中最主要的响应IFN-γ信号的细胞类型。

为了进一步研究白癜风进展的调节机制,作者建立了一种白癜风小鼠模型。经过皮肤接种B16F10细胞和腹腔注射anti-CD4抗体,C57小鼠出现和白癜风病人类似的表征,包括表皮脱色、CD8+ T细胞聚集浸润和黑色素细胞丢失。研究发现,IFN-γ信号受体敲除的转基因小鼠 (Ifngr1 KO) 在经过相同的处理后,CD8+ T细胞的浸润较WT小鼠显著减少,表皮也未出现黑色素细胞缺失。这一结果说明,响应IFN-γ信号的细胞对于白癜风的发生和进展至关重要。

那么,到底哪种细胞类型才是起到决定性作用的呢?其又是如何发挥功能的?陈婷团队接下来用多种实验手段证明,在白癜风疾病中,成纤维细胞通过CXCL9和CXCL10调控CD8+ T细胞的招募(图2)。首先,作者利用Cre-loxP系统分别在6种细胞类型中进行特异性地敲除Ifngr1。结果发现,成纤维细胞特异性敲除IFNGR1后,有效阻止白癜风发生。小鼠表皮浸润的CD8+ T细胞数目明显减少,且不影响黑色素细胞数目,也没有造成表皮脱色的现象;而其他条件性敲除小鼠均出现了白癜风表型。随后,作者通过成纤维细胞移植实验发现,在一个完全没有IFN-γ响应的皮肤局部环境中,只给予外来的能响应IFN-γ的成纤维细胞就足以介导局部CD8+ T细胞的招募和聚集。第三,Transwell实验发现成纤维细胞通过分泌因子招募激活的CD8+ T细胞。而与正常的成纤维细胞相比,趋化因子CXCL9CXCL10 在白癜风病人和白癜风模型小鼠成纤维细胞中均有较高的上调。于是,研究人员在WT小鼠中利用慢病毒在真皮成纤维细胞中敲低Cxcl9Cxcl10基因,发现敲低了趋化因子的成纤维细胞失去了对CD8+ T细胞的招募的能力。

2 成纤维细胞通过CXCL9/10调控杀伤性CD8+ T细胞的招募

成纤维细胞存在部位异质性 11,小鼠不同部位的成纤维细胞通过Hoxc基因调节Wnt信号通路调控了毛囊的再生 12。但不同部位的成纤维细胞在调控免疫反应方面尚未有人研究。研究人员通过对2265例非节段型白癜风病人的分析发现,白癜风在不同部位的发病频率存在很大差异,其中手背、胸部发病率最高,而手掌和上肢发病率最低。同时,不同部位的成纤维细胞在IFN-γ处理后的表达谱变化也不尽相同,手背、胸部和背部的CXCL9CXCL10上调倍数更高。进一步的相关性分析也说明发病率高的部位的成纤维细胞响应IFN-γ的程度也更高。此外,研究人员在白癜风小鼠模型中也发现了这一相关性。白癜风模型诱导后,小鼠背部和腹部毛囊中的黑色素细胞完全丢失,但爪背、掌心部位的黑色素细胞并未受到影响。且小鼠背部和腹部成纤维细胞在IFN-γ处理以后的Cxcl9Cxcl10表达水平要比爪背、掌心高。于是,作者将来自WT小鼠背部和爪背的成纤维细胞移植到Ifngr1 KO小鼠上,结果发现,来自WT小鼠背部的成纤维细胞对CD8+ T细胞的招募能力更强。这些实验说明,不同部位成纤维细胞对IFN-γ的响应能力决定其招募CD8+ T细胞的能力,并决定白癜风的发病位置偏好(图3)。

3 成纤维细胞通过CXCL9/10调控杀伤性CD8+ T的招募

综上所述,该研究首次发现成纤维细胞对皮肤自身免疫病的发生至关重要;同时对自身免疫疾病发生的调控存在区域差异性,不同部位的成纤维细胞因响应IFN-γ的程度不同,而导致了对T细胞招募能力的不同。成纤维细胞不仅仅存在于皮肤中,几乎所有的器官都有成纤维细胞的存在,该研究亦为其他器官自身免疫病发生机制的研究提供了借鉴。

北京生命科学研究所陈婷研究员和北京医院常建民教授为该论文的共同通讯作者。北京生命科学研究所的徐子健和陈道明为共同第一作者。该论文的其他作者还包括首都师范大学的胡煜成副研究员,北京生命科学研究所的姜开菊、黄焕伟、杜营雪、吴文波、隋建华研究员,北京大学第三医院的王文慧医生、张龙医生,西京医院的李舒丽医生、李春英教授,中国医学科学院皮肤病研究所杨勇教授。该工作在北京生命科学研究所完成。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-021-04221-8



1   Taieb, A. & Picardo, M. Vitiligo. New England Journal of Medicine 360, 160-U100, doi:10.1056/NEJMcp0804388 (2009).

2   Picardo, M. et al. Vitiligo. Nature Reviews Disease Primers 1, 15011, doi:10.1038/nrdp.2015.11 (2015).

3   O'Shea, J. J. & Plenge, R. JAK and STAT signaling molecules in immunoregulation and immune-mediated disease. Immunity 36, 542-550, doi:10.1016/j.immuni.2012.03.014 (2012).

4   Harris, J. E. et al. A mouse model of vitiligo with focused epidermal depigmentation requires IFN-γ for autoreactive CD8+ T-cell accumulation in the skin. J. Invest. Dermatol. 132, 1869-1876, doi:10.1038/jid.2011.463 (2012).

5   Chatterjee, S. et al. A quantitative increase in regulatory T cells controls development of vitiligo. J. Invest. Dermatol. 134, 1285-1294, doi:10.1038/jid.2013.540 (2014).

6   Agarwal, P. et al. Simvastatin prevents and reverses depigmentation in a mouse model of vitiligo. J. Invest. Dermatol. 135, 1080-1088, doi:10.1038/jid.2014.529 (2015).

7   Lang, K. S. et al. HLA-A2 restricted, melanocyte-specific CD8(+) T lymphocytes detected in vitiligo patients are related to disease activity and are predominantly directed against MelanA/MART1. J. Invest. Dermatol. 116, 891-897, doi:10.1046/j.1523-1747.2001.01363.x (2001).

8   Namazi, M. R. Neurogenic dysregulation, oxidative stress, autoimmunity, and melanocytorrhagy in vitiligo: can they be interconnected? Pigment Cell Res. 20, 360-363, doi:10.1111/j.1600-0749.2007.00408.x (2007).

9   Stromberg, S. et al. Transcriptional profiling of melanocytes from patients with vitiligo vulgaris. Pigment Cell & Melanoma Research 21, 162-171, doi:10.1111/j.1755-148X.2007.00429.x (2008).

10   Ganju, P. et al. Microbial community profiling shows dysbiosis in the lesional skin of Vitiligo subjects. Sci. Rep. 6, 18761, doi:10.1038/srep18761 (2016).

11   Chang, H. Y. et al. Diversity, topographic differentiation, and positional memory in human fibroblasts. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 99, 12877-12882, doi:10.1073/pnas.162488599 (2002).

12   Yu, Z. et al. Hoxc-dependent mesenchymal niche heterogeneity drives regional hair follicle regeneration. Cell Stem Cell 23, 487-500.e486, doi:10.1016/j.stem.2018.07.016 (2018).

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