CD8+ T 細(xì)胞，又被稱為細(xì)胞毒性T 淋巴細(xì)胞（cytotoxic T cell， CTL）或者殺手T細(xì)胞（killer t cell），是人體適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。他們負(fù)責(zé)殺滅被病毒和細(xì)菌感染的細(xì)胞以及癌細(xì)胞， 并形成記憶T細(xì)胞（memory T cell），為人體提供長(zhǎng)期的保護(hù)。然而，在慢性感染和腫瘤中，T細(xì)胞長(zhǎng)期暴露于抗原以及炎癥之下，其逐漸進(jìn)入一種功能失常的狀態(tài)，被稱為T細(xì)胞耗竭（T cell exhaustion）【1】。其主要表現(xiàn)為殺傷功能的喪失，多種抑制性受體的上調(diào)（包括 PD-1, Tim3, CTLA-4等等），以及增值分化能力的減退【1】。因此，預(yù)防T細(xì)胞耗竭或者逆轉(zhuǎn)耗竭的T細(xì)胞，恢復(fù)T 細(xì)胞的殺傷能力，是提升臨床慢性感染和腫瘤免疫治療的關(guān)鍵。

目前，靶向作用于這些抑制性受體的治療藥物如Anti-PD-L1，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種癌癥，且擁有較好的治療效果。盡管如此，只有少數(shù)病人可以達(dá)到長(zhǎng)期的治愈，而大多數(shù)病人出現(xiàn)短期的腫瘤控制，但效果難以得到長(zhǎng)期的維持。研究表明，使用免疫檢查點(diǎn)阻斷療法后，耗竭T細(xì)胞雖然短暫恢復(fù)功能，但是無(wú)法完全恢復(fù)成細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞。究其原因，在耗竭T細(xì)胞形成過(guò)程中，其表觀遺傳已固定，細(xì)胞命運(yùn)已經(jīng)被鎖定【2】。

2021年7月19日，來(lái)自Versiti血液研究所, 威斯康星醫(yī)學(xué)院（Medical College of Wisconsin， MCW)的Weiguo Cui團(tuán)隊(duì)和來(lái)自La Jolla Institute for Immunology的Patrick G. Hogan和Anjana Rao的團(tuán)隊(duì)同時(shí)在Nature Immunology 發(fā)表文章BATF regulates progenitor to cytolytic effector CD8+ T cell transition during chronic viral infection和BATF and IRF4 cooperate to counter exhaustion in tumor-infiltrating CAR T cells，分別在慢性感染模型和CAR T細(xì)胞治療實(shí)體瘤的模型中，共同揭示了BATF，一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor, TF），可以阻斷T 細(xì)胞耗竭之路，增強(qiáng)T 細(xì)胞的抗病毒與抗腫瘤的功能，為治愈慢性感染和實(shí)體瘤提供了新思路。接下來(lái)，我們將分別介紹這兩個(gè)研究。

Weiguo Cui團(tuán)隊(duì)先前的研究及其他團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，在慢性感染和腫瘤微環(huán)境中，耗竭T細(xì)胞并非是一個(gè)統(tǒng)一的群體，依據(jù)細(xì)胞的功能和基因組的差異，主要可分為三個(gè)亞群：保持休眠的干細(xì)胞樣祖細(xì)胞 (progenitor T cell, TPRO)，終末耗竭性t細(xì)胞(exhausted T cell, TEXH)，和具有一定細(xì)胞毒性的效應(yīng)性T細(xì)胞 (effector T cell, TEFF)。祖細(xì)胞可以進(jìn)一步分化為終末耗竭性T細(xì)胞，或者效應(yīng)性T細(xì)胞【3-9】。在慢性感染和腫瘤中的研究表明，祖細(xì)胞和效應(yīng)T細(xì)胞的數(shù)量和免疫治療效果成正比【9-11】。因此，了解T細(xì)胞亞群分化的過(guò)程及其調(diào)控機(jī)制，為免疫學(xué)家編輯T細(xì)胞運(yùn)用于臨床慢性感染和腫瘤免疫治療提供了更多的機(jī)會(huì)。

基于耗竭T細(xì)胞的命運(yùn)難以被逆轉(zhuǎn)的事實(shí)，尋求調(diào)控祖細(xì)胞向效應(yīng)性T細(xì)胞分化為免疫治療慢性感染和癌癥提供了新思路。然而，哪些調(diào)節(jié)因子和信號(hào)通路調(diào)控祖細(xì)胞向效應(yīng)性T細(xì)胞分化目前并不清楚， 是領(lǐng)域內(nèi)亟需回答的問(wèn)題。

Weiguo Cui團(tuán)隊(duì)MCW微生物與免疫系的在讀博士生陳瑤及其同事揭示了, 在慢性感染病毒感染過(guò)程中，BATF是祖細(xì)胞向效應(yīng)性T細(xì)胞分化的必要轉(zhuǎn)錄因子。

他們首先使用了SCENIC分析方法從單細(xì)胞RNA-seq數(shù)據(jù)中推斷出了各T細(xì)胞亞型的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。其中包括已知功能的轉(zhuǎn)錄因子，例如TCF-1調(diào)控祖細(xì)胞， Maf，Eomes，Nr4a調(diào)控耗竭T細(xì)胞。這些發(fā)現(xiàn)印證了SCENIC推斷的有效性。更重要的是他們發(fā)現(xiàn)了許多可能調(diào)控效應(yīng)T細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子。這些發(fā)現(xiàn)為調(diào)控三群細(xì)胞的分化提供了許多新的靶點(diǎn)。

隨后他們把重點(diǎn)放在解析這三群細(xì)胞的表觀遺傳特征。因?yàn)楸碛^遺傳景觀直接決定了基因表達(dá)的活性，從而決定細(xì)胞分化的方向和逆轉(zhuǎn)命運(yùn)的可能性。他們用流式細(xì)胞儀分離了三群細(xì)胞 （TPRO， TEXH，TEFF），然后采用了CUT&Tag-seq（類(lèi)似于傳統(tǒng)CHiP-seq）和ATAC-seq檢測(cè)了在各個(gè)細(xì)胞亞型中，基因的啟動(dòng)子（promotor）的活性（H3K27me3 and H3K4me3），強(qiáng)化因子（enhancer）的開(kāi)放和活性 (ATAC-seq and H3K27ac)。

圖1. T細(xì)胞亞群的表觀遺傳景觀

他們發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)化因子在調(diào)控與這三群T細(xì)胞分化和功能密切相關(guān)的基因表達(dá)上具有重要作用。此外，通過(guò)推斷轉(zhuǎn)錄因子在這些強(qiáng)化因子區(qū)域的富集情況，他們發(fā)現(xiàn)BATF顯著富集在祖細(xì)胞，效益T細(xì)胞，以及祖細(xì)胞和效益T細(xì)胞共有的強(qiáng)化因子區(qū)域。因此，他們提出假設(shè)：BATF在祖細(xì)胞向效應(yīng)T細(xì)胞分化過(guò)程中起著重要作用。

接下來(lái)，為了驗(yàn)證BATF的功能。他們?cè)诼圆《靖腥竞笃冢?/span>CD8+ T中敲除BATF。他們發(fā)現(xiàn)，BATF缺失的T細(xì)胞向效應(yīng)T細(xì)胞的分化的能力顯著下降。結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)， 他們證實(shí)，BATF是在祖細(xì)胞向效應(yīng)T細(xì)胞分化過(guò)程中所必須的。

為了進(jìn)一步探究BATF調(diào)控的機(jī)制，他們檢測(cè)了BATF轉(zhuǎn)錄因子在三群細(xì)胞中結(jié)合DNA的情況。結(jié)果顯示，BATF大量結(jié)合在效應(yīng)T細(xì)胞的DNA，且BATF大量結(jié)合在祖細(xì)胞向效應(yīng)T細(xì)胞分化過(guò)程中所必須的強(qiáng)化因子區(qū)域，從而調(diào)控所需基因表達(dá)。

綜上，Weiguo Cui團(tuán)隊(duì)的研究系統(tǒng)的繪制了各T細(xì)胞亞型的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并詳細(xì)對(duì)比了各CD8+ T細(xì)胞亞型在慢性以及急性病毒感染過(guò)程中的異同。更重要的是，他們首次從細(xì)胞和分子機(jī)制層面揭示了BATF是預(yù)防T細(xì)胞耗竭，調(diào)控祖細(xì)胞向效應(yīng)T細(xì)胞的分化的重要因子。且他們揭示了BATF在表觀遺傳學(xué)上對(duì)這一過(guò)程的作用。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于在治療慢性感染和癌癥中，選擇合適的細(xì)胞亞型和細(xì)胞分化路徑作為免疫治療的靶點(diǎn)，以及是否引入BATF編碼用于免疫治療的T細(xì)胞提供了參考。

CAR-T（Chimeric Antigen Receptor T cell）療法是指，從患者體內(nèi)分離出T細(xì)胞，然后在體外對(duì)T細(xì)胞進(jìn)行編輯，使其表達(dá)識(shí)別癌細(xì)胞的CAR，然后將這些CAR-T細(xì)胞擴(kuò)增后，回輸?shù)交颊唧w內(nèi)，殺滅癌細(xì)胞，從而發(fā)揮抗癌作用的細(xì)胞免疫治療方式。目前，CAR-T療法已經(jīng)運(yùn)用于治療血液學(xué)腫瘤，例如急性淋巴細(xì)胞白血病和一些非霍奇金淋巴瘤，并具有顯著的治愈效果【12】。然而，CAR-T治療實(shí)體瘤領(lǐng)域，表現(xiàn)卻不盡如人意。其中一個(gè)重要的原因是，CAR-T回輸?shù)交颊唧w內(nèi)后，傾向于變成“耗竭”狀態(tài)【12】。因此，如何阻斷CAR-T的耗竭之路，是提升CAR-T臨床治療實(shí)體瘤效果的關(guān)鍵。

來(lái)自Patrick G. Hogan和Anjana Rao團(tuán)隊(duì)的Hyungseok Seo及其同事研究發(fā)現(xiàn)， BATF可以阻斷CAR-T細(xì)胞的耗竭，使CAR-T細(xì)胞具有更強(qiáng)的增值能力和較高的細(xì)胞毒性，并產(chǎn)生長(zhǎng)期的腫瘤抑制效果。

首先，他們通過(guò)分析已有的Bulk RNAseq 數(shù)據(jù)庫(kù)，篩選出幾個(gè)與增強(qiáng)T細(xì)胞功能相關(guān)的候選轉(zhuǎn)錄因子，包括Jun，Maff，BATF。隨后，他們將過(guò)表達(dá)這些轉(zhuǎn)錄因子的anti-hCD19 CAR-T細(xì)胞回輸給有B16F0-hCD19 腫瘤的老鼠。他們發(fā)現(xiàn)，BATF過(guò)表達(dá)的CAR-T具有最好的腫瘤治愈效果，使得小鼠腫瘤顯著減小，存活地更久。其中5只老鼠，他們的腫瘤完全消失。

通過(guò)分離分析這些腫瘤浸潤(rùn)的CAR-T細(xì)胞，他們發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)BATF顯著增強(qiáng)了CAR-T的增值能力和細(xì)胞毒性。有效預(yù)防T細(xì)胞耗竭。

接下來(lái)，他們檢測(cè)BATF過(guò)表達(dá)的CAR-T細(xì)胞是否具有長(zhǎng)期的腫瘤抑制效應(yīng)。他們將之前5只腫瘤完全治愈的老鼠重新植入同一種腫瘤細(xì)胞，他們發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞無(wú)法在這些治愈的老鼠身上生長(zhǎng)，說(shuō)明BATF過(guò)表達(dá)的CAR-T細(xì)胞形成了記憶細(xì)胞，可以提供長(zhǎng)期的保護(hù)，防止腫瘤復(fù)發(fā)。

他們進(jìn)一步探究BATF阻斷T細(xì)胞耗竭的機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，另一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，IRF4是BATF阻斷T細(xì)胞耗竭所必須的共同調(diào)控因子。雖然前期研究表明，IRF4 促進(jìn)T細(xì)胞耗竭。那么關(guān)于 IRF4這看似沖突的角色后隱藏著哪些調(diào)控機(jī)制？

接下來(lái)，他們通過(guò)檢測(cè)BATF和IRF4 在WT和BATF過(guò)表達(dá)細(xì)胞中結(jié)合DNA的情況（CHiP-seq），發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)BATF抑制IRF4在細(xì)胞激活前期上調(diào)， 并使IRF4更傾向于與BATF一起結(jié)合在親和力更高的AICE 結(jié)合點(diǎn)，從而調(diào)控T細(xì)胞效應(yīng)相關(guān)的基因。IRF4 此外，他們還發(fā)現(xiàn)，BATF和IRF4結(jié)合在這些區(qū)域，提高了染色質(zhì)的可進(jìn)入性（chromatin accessibility），從而促進(jìn)基因表達(dá)。

綜上，Patrick G. Hogan和Anjana Rao的團(tuán)隊(duì)首次揭示了，在實(shí)體瘤中，過(guò)表達(dá)BATF可以阻斷CAR-T細(xì)胞的耗竭，增強(qiáng)CAR-T細(xì)胞的增值能力和細(xì)胞毒性，并形成記憶細(xì)胞，提供長(zhǎng)期的腫瘤治療效果。他們的研究為在設(shè)計(jì)CAR-T細(xì)胞時(shí)引入轉(zhuǎn)錄因子預(yù)防T細(xì)胞耗竭提供了借鑒， 為提高CAR-T在實(shí)體瘤臨床治療的研究中提供了新思路。

圖2. BATF調(diào)控CD8+ T 細(xì)胞分化（Shannon K. Boi, Xin Lan and Ben Youngblood， Nature Immunology，news&views，2021）

上述兩篇文章，分別在慢性病毒感染和CAR T細(xì)胞治療實(shí)體瘤的模型中揭示了，BATF可以在表觀遺傳上阻斷T細(xì)胞耗竭之路，并引導(dǎo)祖細(xì)胞向效應(yīng)T細(xì)胞的分化。這一發(fā)現(xiàn)提供了一條細(xì)胞免疫治療的新思路：預(yù)防耗竭細(xì)胞分化而非逆轉(zhuǎn)已經(jīng)耗竭的T細(xì)胞。

祖細(xì)胞因其具有較高的細(xì)胞可塑性，被認(rèn)為最具潛力的細(xì)胞免疫治療腫瘤和慢性炎癥的靶點(diǎn)。然后，前期研究表明，Anti PD-L1等治療手段只能增強(qiáng)祖細(xì)胞的自我復(fù)制，而不能引導(dǎo)祖細(xì)胞向具有細(xì)胞毒性的效應(yīng)T細(xì)胞分化【9】。CD4+ T細(xì)胞分泌的IL-21 是Anti PD-L1 引導(dǎo)祖細(xì)胞向效應(yīng)T細(xì)胞分化的必要因素【9,13】。然而，在HIV等慢性感染以及腫瘤微環(huán)境中，CD4+ T細(xì)胞的輔助功能失調(diào)，無(wú)法為CD8+ T細(xì)胞提供有效的幫助【14,15】。BATF被認(rèn)為是IL-21信號(hào)通路主要的下游轉(zhuǎn)錄因子【16】，因此，以BATF為靶點(diǎn)編輯T細(xì)胞可以繞過(guò)對(duì)CD4+ T-IL-21的需求，直接阻斷祖細(xì)胞向耗竭T細(xì)胞分化的可能，促進(jìn)其向效應(yīng)T細(xì)胞分化。從而增強(qiáng)T細(xì)胞抗病毒和殺滅癌細(xì)胞的能力。

綜上，調(diào)節(jié)因子和信號(hào)通路調(diào)控祖細(xì)胞向耗竭T細(xì)胞或效應(yīng)性T細(xì)胞分化目前仍有待進(jìn)一步的研究。例如BATF與不同調(diào)節(jié)因子之間的相互作用；BATF在表觀遺傳學(xué)上的調(diào)控機(jī)制等等。

參考文獻(xiàn)：

1 Wherry, E. J. & Kurachi, M. Molecular and cellular insights into T cell exhaustion. Nat Rev Immunol 15, 486-499, doi:10.1038/nri3862 (2015).

2 Pauken, K. E. et al. Epigenetic stability of exhausted T cells limits durability of reinvigoration by PD-1 blockade. Science 354, 1160-1165, doi:10.1126/science.aaf2807 (2016).

文章來(lái)源： BioArt