前言

在慢性抗原刺激（如感染、移植、癌癥和自身免疫）過程中，T細胞干性和耗竭作為兩個關鍵的對比現(xiàn)象共存。T細胞干性描述T細胞的干細胞樣行為，包括自我更新、多能性和功能持久性。T細胞耗竭是指慢性抗原暴露導致效應器功能逐漸喪失，耗竭的T細胞（TEX）高表達多種抑制性受體，在細胞增殖和細胞因子產(chǎn)生方面表現(xiàn)出嚴重缺陷。

人們普遍認為，原始T細胞和某些記憶性T細胞亞群具有干細胞樣特性。在研究慢性感染和癌癥中T細胞的耗竭分化時，最近的研究強調(diào)了“耗竭前體”T細胞（TPEX）在最終分化為TEX細胞之前的干性。臨床上成功的檢查點阻斷癌癥治療似乎能激活抗腫瘤TPEX細胞，但不能激活TEX細胞。

因此，了解T細胞干性和耗竭的轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳學調(diào)控，以及系統(tǒng)免疫學過去和將來如何用于定義TPEX向TEX細胞轉(zhuǎn)化的分子基礎，將有助于更好地理解T細胞的干性和耗竭，以開發(fā)新的免疫治療策略。

記憶T細胞的干性

適應性免疫依賴于在自然急性感染或接種疫苗后創(chuàng)造的免疫記憶。產(chǎn)生長壽命抗原特異性記憶淋巴細胞是免疫記憶的細胞基礎，T細胞干性包括T細胞自我更新和分化為多種下游細胞類型的能力，這種能力稱為多能性。

對小鼠記憶T細胞的早期研究確定了CD62L+CD44+中樞記憶T（TCM）和CD62L–CD44+效應記憶T（TEM）細胞。TCM細胞的終末分化程度低于TEM細胞。單個原始T細胞和單個TCM細胞在抗原刺激下產(chǎn)生的后代大小和多樣性非常相似。此外，來自單個初級TCM細胞的后代含有次級TCM細胞。當次級TCM細胞被單獨轉(zhuǎn)移到新宿主并暴露于抗原時，它們再次產(chǎn)生不同的子代細胞，包括效應器T（TEFF）、TCM和TEM細胞。

有一種幼稚的記憶性T細胞群，其分化程度甚至低于TCM細胞。這些細胞被命名為記憶干T細胞（TSCM），TSCM細胞與原始T細胞有許多相似之處，然而，它們是在抗原刺激后表達Bcl-2、Sca-1、IL-2Rβ、CXCR3和CD95水平升高。

TSCM細胞直接從幼稚的T細胞發(fā)育而來，IL-7對于體外從幼稚T細胞發(fā)育人類TSCM細胞至關重要，而IL-15支持其擴增。許多研究支持了記憶性T細胞分化的漸進模型，遵循原始T細胞→TSCM→TCM→TEM。

TPEX細胞的干性

PD-1/PD-L1檢查點阻斷對不同癌癥的治療有效。由于TEX細胞通常表達高水平的PD-1，因此T細胞耗竭的逆轉(zhuǎn)被認為是PD-1/PD-L1阻斷的潛在機制。

2016年發(fā)現(xiàn)TCF1+PD-1+TPEX細胞后，這一觀點發(fā)生了巨大變化。研究發(fā)現(xiàn)TCF1+PD-1+CD8+T細胞亞群類似于慢性LCMV感染期間的干細胞，經(jīng)歷自我更新，并分化為終末TCF1–PD-1+TEX細胞。TCF1不僅是該細胞亞群的標志物，而且在其產(chǎn)生中也起著重要作用。更重要的是，PD-1阻斷后的增殖爆發(fā)幾乎完全來自該細胞亞群。

TCF1+PD-1+TIL表現(xiàn)出干細胞樣功能，因為它們介導了免疫治療的增殖反應，產(chǎn)生TCF1+PD-1+和分化的TCF1–PD-1+細胞。一項研究通過Tcf7白喉毒素受體（DTR）系統(tǒng)清除腫瘤特異性TCF1+CD8+T細胞，發(fā)現(xiàn)TCF1+PD-1+TIL的消除確實限制了免疫治療的反應。因此，免疫檢查點阻斷可能是依賴于干細胞樣TCF1+PD-1+TIL的增殖，而不是依賴于T細胞耗竭程序的逆轉(zhuǎn)。

T細胞干性的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

隨著研究的深入，調(diào)節(jié)T細胞干性的轉(zhuǎn)錄因子逐漸被揭示。轉(zhuǎn)錄因子TCF1不僅是記憶T細胞干性的標志物，也是記憶性T細胞干性的關鍵調(diào)節(jié)因子。TCF1缺陷小鼠產(chǎn)生正常的主要效應T細胞反應，但在急性感染高峰時，它們基本上缺乏CD8+記憶前體細胞。急性感染后，TCF1缺乏嚴重損害CD8+TCM的分化、壽命和對抗原的反應。這些發(fā)現(xiàn)表明TCF1調(diào)控CD8+記憶T細胞的干性和命運。

TCF1也是慢性抗原暴露期間TPEX細胞的標志物和關鍵調(diào)節(jié)因子。TCF1缺乏會導致TPEX細胞的產(chǎn)生障礙。此外，Chen等人使用scRNA-seq和譜系追蹤研究慢性感染早期的T細胞狀態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)TCF1在培養(yǎng)TPEX細胞時抑制KLRG1hi終末效應T細胞的發(fā)育。因此，盡管TCF1促進TPEX細胞生成并維持慢性反應，但它可能抑制T細胞發(fā)揮直接效應器功能。

轉(zhuǎn)錄因子BACH2是CD8+T細胞記憶分化所必需的。研究發(fā)現(xiàn)，BACH2與TCR驅(qū)動基因的增強子結合，降低了AP-1位點對Jun家族轉(zhuǎn)錄因子的可用性，此過程限制終末效應細胞分化。因此，效應T細胞下調(diào)BACH2表達以促進效應器命運分化，相比之下，BACH2的表達能夠產(chǎn)生長壽命的記憶細胞。

BACH2是慢性抗原暴露期間TPEX細胞的重要調(diào)節(jié)因子。研究表明BACH2缺乏會損害TCF1+CD8+TPEX細胞的生成，而BACH2過表達會在慢性感染的早期階段加強其生成。因此，BACH2積極促進對干細胞樣CD8+TPEX譜系的生成，并保護TPEX細胞免受終末耗竭。

Id3是負調(diào)節(jié)DNA結合E蛋白的Id蛋白家族成員，對CD8+記憶性T細胞的形成至關重要。Id3在TCF1+TIM3–TPEX細胞中高度表達。當TPEX細胞最終分化為TIM3+T細胞時，Id3和TCF1逐漸丟失。因此，Id3和TCF1都是TPEX細胞的轉(zhuǎn)錄標記。Id3是否調(diào)節(jié)TPEX細胞狀態(tài)尚不清楚。

轉(zhuǎn)錄因子c-Myb是CD8+T細胞干性的另一個關鍵調(diào)節(jié)因子。在抗腫瘤疫苗接種后，Myb缺陷型CD8+T細胞易于終末分化，產(chǎn)生的干細胞樣TCM細胞少于Myb充足型T細胞。相反，c-Myb過表達促進CD8+T細胞記憶和回憶反應，從而引發(fā)治療性抗腫瘤免疫。系統(tǒng)免疫學方法進一步表明，在CD8+T細胞中，c-Myb促進TSCM細胞的形成，抑制終末分化，并促進TCF1+TPEX細胞的持久性。

記憶性T細胞干性的表觀遺傳調(diào)控

在急性感染時，T細胞經(jīng)歷顯著的表觀遺傳重組以實現(xiàn)多種功能。

DNA甲基化通常會抑制細胞中的基因表達。研究發(fā)現(xiàn)，CD8+記憶前體最初獲得Dnmt3a依賴的從頭開始的DNA甲基化程序，以抑制某些幼稚相關基因的表達，并在效應器相關基因的位點上去甲基化（允許表達）。為了發(fā)育成長壽記憶T細胞，這些記憶前體細胞會清除原始相關基因位點的從頭甲基化程序，以允許其重新表達，而關鍵效應基因仍保持去甲基化狀態(tài)。因此，在記憶細胞發(fā)育過程中，T細胞可能丟失并重新表達一些干細胞/幼稚相關基因。充分發(fā)育的記憶T細胞表達幼稚的相關基因，并在再次感染時發(fā)揮效應器功能。

組蛋白H3賴氨酸9（H3K9）和27（H3K27）的甲基化與轉(zhuǎn)錄抑制高度相關。SUV39H1是一種使H3K9甲基化的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶。研究發(fā)現(xiàn)，SUV39H1缺失的CD8+T細胞在終末效應細胞分化期間無法沉默干/記憶基因，并增加了長期記憶重編程能力。

多克隆抑制復合物2（PRC2）通過H3K27的甲基化沉默基因表達。EZH2是PRC2的催化亞單位。EZH2缺乏損害末端效應細胞分化。

T細胞耗竭

近三十年前，Moskophidis等人用LCMV-D感染小鼠，大量LCMV-D的存在產(chǎn)生高抗原負荷，迫使特異性抗病毒CD8+細胞毒性T細胞耗竭。由于當時的技術限制，研究發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)象，但尚未從分子機制上解釋。

如今，系統(tǒng)免疫學方法允許我們超越傳統(tǒng)的細胞表面標記物或細胞因子表達，從而使我們能夠觀察支持各種T細胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)錄、表觀遺傳學和代謝編程。2007年，Wherry等人使用微陣列分析研究慢性LCMV感染后CD8+T細胞衰竭的分子特征。發(fā)現(xiàn)CD8+TEX細胞過度表達PD-1和其他抑制性受體，表達一組獨特的轉(zhuǎn)錄因子，并存在嚴重的代謝和生物能量缺陷。這些發(fā)現(xiàn)首次揭示了TEX細胞如何在分子水平上逐漸失去效應器功能。

ScRNA-seq技術為研究T細胞生物學開辟了新的領域。許多最初的scRNA-seq研究檢測了不同類型癌癥中的T細胞狀態(tài)，CD8+TEX細胞通常優(yōu)先富集在腫瘤微環(huán)境中。從那時起，T細胞耗竭已成為一個公認的術語，用來描述T細胞對慢性感染和癌癥的反應。

T細胞耗竭的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

T細胞耗竭發(fā)生在慢性抗原刺激期間，高抗原負荷導致T細胞衰竭。高抗原負荷不僅維持抗原的慢性刺激，而且還可通過TCR提供重復的抗原刺激。

TCR誘導的信號激活NFAT轉(zhuǎn)錄因子家族，活化的NFAT蛋白反過來與其他轉(zhuǎn)錄因子（如AP-1家族）相互作用，以控制T細胞活化和效應細胞分化。缺乏NFAT的CD8+T細胞不能表達耗竭相關抑制受體。

TOX是由NFAT啟動誘導的次級轉(zhuǎn)錄因子。TOX可能不參與急性感染時效應和記憶T細胞狀態(tài)的分化。相反，在慢性感染和癌癥中，TOX是CD8+T細胞耗竭程序的關鍵驅(qū)動因素。研究發(fā)現(xiàn)，TOX表達對TCF1+TPEX細胞的形成和維持以及隨后的終末TEX細胞分化至關重要。沒有TOX，TPEX細胞形成受損，TEX細胞無法形成。Tox缺陷的CD8+細胞不上調(diào)抑制性受體的基因，如Pdcd1、Entpd1、Havcr2、Cd244和Tigit。

NR4As（NR4A1、NR4A2和NR4A3）也是啟動NFAT誘導的次級轉(zhuǎn)錄因子。在慢性病毒感染或腫瘤中，CD8+T細胞表達高水平的NR4As，NR4As在T細胞功能障礙/耗竭程序中起著重要作用。剔除CAR-T細胞中的所有三種NR4A可促進腫瘤消退并延長荷瘤小鼠的生存期。

BATF是AP-1家族轉(zhuǎn)錄因子的成員。它與JunB形成二聚體，在活化的T細胞中作為AP-1活性的阻遏物。有人認為BATF是耗竭驅(qū)動因素之一，BATF表達升高與HIV感染時CD8+T細胞耗竭相關。沉默T細胞中的BATF可以拯救HIV特異性T細胞功能。

BATF、BACH2和NR4A1都對AP-1活性具有抑制作用。BACH2抑制AP-1依賴性效應基因以維持TPEX細胞，而BATF和NR4A1促進終末耗竭�？傊�，TCR-NFAT-TOX/NR4A軸驅(qū)動CD8+T細胞的耗竭程序。

T細胞耗竭的表觀遺傳學特征

耗竭T細胞的表觀遺傳學特征與效應和記憶T細胞的表觀遺傳學特征明顯不同。Sen等人使用ATAC-seq定義CD8+T細胞中的染色質(zhì)可及區(qū)（CHAR）。TEX細胞與效應/記憶T細胞相比，在耗竭相關基因（如Pdcd1、Havcr2、Batf）附近表現(xiàn)出更高的ChARs峰值強度。

此外，研究發(fā)現(xiàn)，在LCMV-Cl13感染后，抗原特異性T細胞獲得不同于效應和記憶T細胞的耗竭相關表觀遺傳學特征。雖然PD-L1阻斷可重新激活T細胞對LCMV-Cl13的反應，但它在很大程度上無法重塑耗竭相關的表觀遺傳學特征。因此得出結論，TEX細胞的表觀遺傳穩(wěn)定性限制了PD-L1阻斷效應的持久性。

另一項研究表明，通過藥物調(diào)節(jié)的degron系統(tǒng)在CAR-T細胞中誘導短暫休息后，耗竭的CAR-T細胞可以發(fā)生表觀遺傳重塑。四天誘導可使耗竭的CAR-T細胞的表觀遺傳圖譜類似于未耗竭的對照CAR-T細胞。重要的是，短暫休息可以恢復耗竭CAR-T細胞的抗腫瘤功能�？傊�，TEX細胞具有不同于效應和記憶T細胞的表觀遺傳學特征。耗竭相關表觀遺傳狀態(tài)的穩(wěn)定性在耗竭的CAR-T細胞中可能不同于TEX細胞。

組織環(huán)境和代謝的影響

解剖位置和與抗原的可及程度決定了T細胞的狀態(tài)。例如，在慢性病毒感染研究中，更多終末分化的TEX細胞存在于脾臟的紅髓中，而脾臟是LCMV感染的主要部位。分化程度較低的TPEX細胞主要定位于白髓的T細胞區(qū)。

環(huán)境是否通過配體結合、營養(yǎng)素利用率和局部細胞因子產(chǎn)生指示T細胞狀態(tài)？抗原豐度是否由于鄰近而導致過度TCR刺激，從而導致終末效應器分化或耗竭？這些問題仍有待回答。然而，不可否認的是，環(huán)境因素在決定T細胞狀態(tài)中起著極為重要的作用。組織環(huán)境可能是改善或抑制T細胞功能的有吸引力的靶點。

例如，在腫瘤微環(huán)境中，癌細胞壞死引起的細胞外鉀升高抑制TCR驅(qū)動的Akt-mTOR磷酸化和TIL效應器功能。這種抑制作用取決于絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶PP2A的活性。其他局部免疫細胞也會改變腫瘤微環(huán)境，從而改變T細胞反應。例如，腫瘤相關巨噬細胞可以分泌內(nèi)源性糖皮質(zhì)激素，這會下調(diào)效應器功能，導致T細胞功能障礙和檢查點阻斷反應差。腫瘤微環(huán)境中的M2樣抑制性巨噬細胞與耗竭的EOMEShiCD8+T細胞形成雙向抑制性相互作用，導致更差的臨床結果。

小結

在過去的幾十年中，我們對T細胞干性和耗竭的轉(zhuǎn)錄、表觀遺傳學和代謝調(diào)節(jié)的理解取得了巨大的進展。這些關于各種T細胞狀態(tài)及其調(diào)節(jié)因子的令人振奮的新發(fā)現(xiàn)可能會讓我們深入了解如何找到免疫治療的切入點。隨著更多的機制被揭示出來，找到調(diào)節(jié)TPEX和TEX細胞命運和功能的方法，將有可能可以徹底改變目前腫瘤免疫治療的局面。

參考文獻：

1.Schrödinger’s T Cells: Molecular Insights Into Stemness and Exhaustion. Front Immunol. 2021; 12: 725618.

       原文標題 : T細胞干性與耗竭的新發(fā)現(xiàn)