Nat Comm：清华董忠军组首次报道NK细胞功能获得的遗传证据
2019-11-02 武宁 BioArt
NK细胞是第三大类天然免疫细胞，担负着先天免疫防御的重任，主要负责清除机体不需要的“非我”细胞，如病毒感染细胞、肿瘤细胞以及异基因骨髓细胞。NK细胞识别“自我”和“非我”的机制是NK细胞领域内关键科学问题。不同于后天获得性免疫，NK细胞的激活或者抑制主要取决于其表面的活化性受体和抑制性受体。主要组织相容性复合体-I类分子（MHC-I）被认为是一种“自我”分子，它可以结合NK细胞表面抑制性受体，从而
NK细胞是第三大类天然免疫细胞，担负着先天免疫防御的重任，主要负责清除机体不需要的“非我”细胞，如病毒感染细胞、肿瘤细胞以及异基因骨髓细胞。NK细胞识别“自我”和“非我”的机制是NK细胞领域内关键科学问题。不同于后天获得性免疫，NK细胞的激活或者抑制主要取决于其表面的活化性受体和抑制性受体。主要组织相容性复合体-I类分子（MHC-I）被认为是一种“自我”分子，它可以结合NK细胞表面抑制性受体，从而导致NK细胞功能抑制。当异常细胞丢失MHC-I时，NK细胞就会被活化，这种经典的NK细胞活化方式称作 “丢失自我”（Missing-self）。
然而MHC-I类分子缺失却导致小鼠NK细胞功能严重低下，不能有效清除MHC-I 丢失的肿瘤。 2005年Kim等提出NK细胞授权（Licensing）这一概念，认为MHC-I不仅可以结合抑制性受体阻止NK细胞活化，可能还可以通过这些抑制性受体赋予NK细胞功能。这种NK细胞功能获得过程后来被定义为NK细胞“教育”（education）。一般认为NK细胞“教育”不仅赋予其自然杀伤能力，还可以驯化NK细胞避免自身“攻击”。因此， 研究NK细胞“教育”机制有助于理解NK细胞活化和耐受。
2019年11月1日，清华大学医学院/免疫学研究所董忠军教授课题组在Nature Communications上发表了题为Synergized regulation of NK cell education by NKG2A and specific Ly49 family members的研究论文。该研究采用遗传学证据证明 MHC-I分子特异的抑制性受体除了在效应阶段抑制NK细胞功能外，还在NK细胞功能获得过程发挥不可或缺的作用。
抑制性受体调控NK细胞“教育”这一猜测主要源于MHC-I缺失小鼠的数据，是否 MHC-I特异的抑制性受体真正参与NK细胞“教育”仍不清楚。由于识别小鼠MHC-I分子的抑制性受体Ly49家族和NKG2A均定位于小鼠第6号染色体上的NK基因复合体（NK-gene complex， NKC），且Ly49家族包含10多个抑制性和活化型受体组成， 并和NKG2A连锁。它们存在严重的功能冗余性，给研究工作带来极大的挑战。该研究团队采用序贯CRISPR基因编辑方法基因剔除大约150万个碱基的Ly49家族，他们幸运地制备了包括Ly49家族联合缺失小鼠在内多个品系。
借助Ly49家族联合敲除小鼠，研究人员发现Ly49家族缺失不影响NK细胞的发育，但显着抑制了NK细胞功能。后来它们证实仅两个Ly49家族抑制性受体Ly49C和Ly49I缺失也可以导致NK细胞功能缺陷。这一遗传学证据充分证明抑制性受体对NK细胞“教育”至关重要。与预期不同的是，缺失Ly9抑制性受体的小鼠NK细胞功能低下程度弱于MHC-I分子缺失小鼠的NK细胞。经过多种排除实验，研究人员找到了另外一个NK细胞抑制性受体NKG2A也参与NK细胞“教育”，后者能够识别非经典MHC-Ib。研究人员在Ly49家族受体缺失小鼠的基础上，进一步敲除NKG2A受体，发现 Ly49家族受体与NKG2A联合缺失导致NK细胞功能严重下降。因此，这些数据充分揭示了抑制性Ly49受体和NKG2A协同调控NK细胞“教育”。
董忠军课题组长期致力于NK细胞基础生物学研究。2016年他们通过基因敲除SLAM家族受体，揭示了该家族受体作为自身特异的活化性受体参与“教育”NK细胞（Chen et al. Immunity， 2016）。他们的最新研究则阐明NK细胞通过自身MHC-I特异的抑制性受体Ly49家族和NKG2A，共同调控NK细胞“教育”。目前尚不清楚NK细胞“教育”是否由自身特异性的活化性受体和抑制性受体两种信号的综合平衡来决定。
据悉，清华大学医学院/免疫学研究所董忠军教授为该论文的通讯作者，医学院博士生张晓谦和冯瑾同学为并列第一作者，博士后陈莎莎和博士生杨昊琰也参与了该课题。清华大学动物中心在动物模型制备过程中提供了必不可少的帮助。
自然杀伤细胞（NK cell）是一种淋巴细胞，在感染免疫、肿瘤免疫、移植免疫中扮演重要角色。细胞毒作用（cytotoxicity）和细胞因子的分泌是NK细胞的两大主要功能。正常的NK细胞功能获得是通过一类特殊的信号系统调控，被称作NK细胞“教育”（Education）。尽管已有多种受体介导的NK细胞“教育”过程被发现，但是NK细胞上的抑制性Ly49家族受体（在人上被称为KIR家族受体）通过和MHC-I结合产生的NK细胞“教育”仍然是最主要的。没有MHC-I分子，Ly49家族受体的ITIM结构域无法通过招募SHP-1提供抑制信号，NK细胞就无法获得正常的NK细胞功能。
Ly49家族受体是一个多基因组成的，具有高度多态性的基因座位（locus），连续分布于小鼠的六号染色体。Ly49家族受体同时包含活化性和抑制性受体。且Ly49H和Ly49P能够分别结合MCMV病毒感染宿主细胞后表达的m157或m04分子。由于多个Ly49家族受体基因的存在，以及其功能上的冗余性，精细解析Ly49家族受体如何调控NK细胞“教育”一直以来都是NK细胞研究领域的一个难点。前人曾经通过Ly49家族受体congenic小鼠的模型做过一些遗传学上的尝试，但由于缺乏所有Ly49家族受体单独敲除和全部敲除的动物模型，该问题一直无法解决。张晓谦等在该研究中创造性的利用CRISPR-Cas9技术构建了Ly49家族受体全敲及各种组合敲除的小鼠模型，首次完美的解析了Ly49家族受体在NK细胞教育中的作用。结合NKG2A基因敲除小鼠，张晓谦等也创造性的证明了Ly49家族受体和NKG2A受体分别通过经典和非经典MHC-I分子协同实现NK细胞教育，获得正常NK细胞功能。
此项研究工作利用基因工程小鼠模型，从遗传学角度阐明了Ly49家族受体和NKG2A受体在NK细胞教育中的作用，为移植免疫和肿瘤免疫研究提供了重要理论基础。此外，NKG2A是近来新发现的肿瘤免疫检查点，靶向NKG2A具有非常显着的促进肿瘤免疫治疗的效果。张晓谦等人的此项工作也为我们提供了新的角度，去进一步深入理解NKG2A抑制信号在NK细胞功能中的多重作用。
原始出处：
Xiaoqian Zhang, Jin Feng, Shasha Chen, et al.Synergized regulation of NK cell education by NKG2A and specific Ly49 family members.Nature Communications.Published: 01 November 2019volume10, Article number: 5010 (2019)
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