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Metabolic heterogeneity underlies reciprocal fates of T_H17 cell stemness and plasticity.

代谢异质性是决定T_H17细胞干性和可塑性的基础

发表时间：2019年1月 

期刊：Nature（IF : 41.577）

单位：美国圣犹大儿童研究医院

技术要点：

• 技术方法：ChIP，转录组芯片，ATAC-seq，单细胞转录组测序等

• 单细胞平台：10x Genomics Chromium^TM Single Cell 3’ v2

• 测序平台：Illumina HiSeq 4000

• 样本及细胞数：小鼠，2个分选的TH17细胞样本，共27,619个细胞。

   

在所有的辅助性T细胞中，T_H17细胞在自身免疫疾病中有重要作用，且带有可塑性特征。但T_H17细胞的可塑性是如何调控的尚不清楚。

为了研究T_H17细胞可塑性的机制，本研究首先通过MOG（myelin oligodendrocyte glycoprotein peptide）免疫构建了EAE（实验性自身免疫性脑脊髓炎）小鼠，发现T_H17细胞存在主要两种亚型：CD27+和CD27-细胞。随后通过对这两种细胞进行差异表达和GSEA分析，发现了重要的代谢通路mTORC1。接下来构建Raptor（mTORC1通路基因）缺陷小鼠来研究代谢对细胞可塑性的影响。并应用ATAC-seq来研究转录因子对该过程的调控作用。最后，用单细胞转录组测序技术对TH17细胞的异质性进行更精细的研究。

 1. T_H17细胞存在不同功能的亚型细胞

构建EAE模型小鼠后，流式鉴定发现T_H17细胞主要有两种亚型构成：CD27+和CD27-细胞。MOG刺激后，CD27+细胞会增殖并转化为CD27-细胞，而CD27-细胞保持不变。通过表达谱芯片和GESA分析发现，CD27阳性细胞具有记忆性T细胞特征，代谢不活跃。

图1 CD27+ T_H17细胞有记忆细胞特征和低代谢活性

2. 代谢通路mTORC1对T_H17细胞的可塑性有重要作用

代谢对于T细胞的激活和分化具有重要作用，但代谢如何控制细胞的可塑性尚不清楚。通过敲除mTORC1通路中的Raptor来看代谢对T_H17细胞异质性的影响。Raptor缺陷的T_H17细胞可以正常存活，分泌趋化因子受体和IL-17，但产生了更少的IFN-γ。此外，IL-12可以将产生IL-17的T_H17细胞转化为IL-17-IFN-γ+的细胞，但Raptor缺陷细胞几乎不存在该转分化的能力。Raptor缺陷细胞中CD27表达上调也进一步证明了mTORC1信号通路是区分CD27+和CD27-细胞的指征。

图2 T_H17细胞中敲除Raptor蛋白减弱了其转分化能力

3.  T_H17细胞的单细胞转录组测序

单细胞测序结果表明，野生型和Raptor缺陷的T_H17细胞有明显不同的分布情况。差异表达基因的功能富集分析结果表明，组成Raptor缺陷细胞的clusters主要富集于记忆相关的信号。此外，Raptor缺陷和野生型细胞分别富集有‘早期记忆’和‘晚期记忆’的基因信号。为了重建发育轨迹，我们进行了拟时轨迹分析。‘早期记忆’和‘晚期记忆’相关的基因分别分布于拟时早期和晚期。T-bet靶标信号和Tbx21，Ifng表达分布于拟时晚期的分支，表明分化晚期具有T_H1细胞的特征。此外，Cd27和Tcf7的表达主要集中与拟时早期，且与Raptor缺陷相关。这些结果表明mTORC1促进CD24+T_H17细胞向T_H1样细胞的分化。

图3 T_H17细胞的单细胞转录组测序

研究表明T_H17细胞对慢性自身免疫疾病的免疫反应在表型，转录层面和代谢水平上都存在异质性，CD27+ TCF-1^hi亚型存在干细胞特性和低代谢活性，而CD27- T-bet^hi亚型则呈现相反的特性。CD27+ TCF-1^hi亚群化为表达IFN-γ的CD27- T-bet^hi亚群，这个转化受代谢通路mTORC1调控。