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Nat immunol:转录组+蛋白组学揭示免疫T细胞迅速激活分子机制


蛋白组 代谢组 多组学 中科新生命 转录组蛋白组联合分析

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正常情况下,T细胞保持静止状态在体内巡逻,以最小的能量消耗维持必要细胞程序;一旦受到病原体刺激,T细胞迅速活化,通过大量的重编程产生有效的反应。以往研究多集中在活化的T细胞的重编程过程,但其过程中涉及到的mRNA翻译动力学和蛋白质更新动力学却研究较少。瑞士意大利大学生物医学研究所Roger Geiger团队,在《Nature immunology》发表题为“Dynamics in protein translation sustaining T cell preparedness”的研究论文。作者通过转录组+蛋白组学技术揭示了人类天然和活化T细胞的mRNA翻译动力学和蛋白质更新动力学。

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研究材料

CD5RA+CCR7+CD4+初始T细胞;CD45RO+CD4+记忆T细胞

技术路线图

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主要结果

1. 蛋白组学分析初始T细胞中组成型蛋白质的更新过程

首先,从4位健康供体的外周血单核细胞中分离出高纯度的初始CD5RA+CCR7+CD4+T细胞,无刺激条件下在含有同位素标记氨基酸的培养基中培养。作者对培养0、6、12、24、48h细胞样本进行蛋白组学分析,共定量到7029种蛋白质,并计算了1822种蛋白质更新率(基于总蛋白和新合成蛋白质的MS信号强度)。结果显示,初始T细胞中大多数蛋白质种类稳定、或仅缓慢更新(如核小体相关蛋白、核糖体蛋白RPL8、糖酵解酶GAPDH);仅小部分蛋白更新迅速(转录调节因子ETS1、主要组织相容性复合体蛋白β2M等)。

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接着,作者进一步分析了初始T细胞组成型蛋白质的降解情况。作者使用环乙酰亚胺(CHX,核糖体可逆抑制剂)和硼替佐米(PS-341,蛋白酶体特异性抑制剂)处理细胞24小时,并进行蛋白组学分析。结果显示,高转换率的膜蛋白可通过不依赖蛋白酶体的途径降解(内涵体/自噬体内降解);而快速更新的转录因子和调控蛋白则被蛋白酶体降解。

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2. 深度分析初始型T细胞刺激后蛋白翻译动力学特征

转录因子 |  前期结果显示,初始T细胞中转录因子的半衰期为53min-126h。为证实高周转率的转录因子(ETS1)是否在维持T细胞稳态中起关键作用,作者对初始型T细胞进行了测序(CHIP-seq)。结果显示,ETS1结合在基因组中11,222个位点上,这些位点与超过9,688个基因相关,其中50%的ETS1结合位点位于启动子区域。以上结果显示,初始T细胞中ETS1具有非常高的周转率、广泛的结合活性,对维持T细胞稳态具有重要作用。

蛋白更新率 | 为了探讨稳态下T细胞是否依赖高蛋白更新率响应不同刺激发生快速重编程,作者分别对初始型和活化型T细胞(板结合抗CD3和抗CD28)的动态蛋白组学数据。结果显示高更新率蛋白(FAM65B,KLF2,TCF-1,TXNIP,SOLL1,PBXIP1和CD247)在激活后迅速下调。其中KLF2是获得T细胞效应的关键分子,FAM65B维持T细胞静息状态。此外,作者进一步分析了肝细胞癌患者肿瘤浸润性T细胞(TILS)和循环T细胞的转录组变化,发现TIL中下调的多数mRNA编码蛋白在初始T细胞中迅速更新。综上,维持T细胞静息状态的蛋白具有较高的周转率(在细胞激活后迅速下调),以维持T细胞的高反应性。

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糖酵解酶 | 代谢重编程是T细胞退出静息状态的必要条件。作者利用蛋白组学(SILAC)技术比较了初始T细胞和活化T细胞中糖酵解酶的转化率。结果显示,糖酵解酶在激活早期(12小时内)显著增加,其中HK2发生强烈上调。此外,作者发现,初始T细胞中含有大量糖酵解酶,但其活性较低。因此,当初始T细胞激活后,会迅速增加HK2表达,与大量与现结合的酶结合,随之增加其糖酵解活性和蛋白更新速率。

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核糖体 | 作者进一步分析蛋白组学数据,比较初始T细胞和活化T细胞的蛋白质绝对合成速率。结果显示,初始T细胞每分钟合成60,000个蛋白质,而在激活6小时后增加至每分钟300,000个蛋白质,24小时后增加至800,000个蛋白质。接着,作者基于核糖体蛋白的拷贝数和核糖体RNA定量估计核糖体数量,发现初始T细胞含有足够的核糖体蛋白和RNA组装约40万个核糖体,来保证T细胞激活后核糖体产量(增加5倍以上)。这些数据表明,初始T细胞含有大量空转核糖体,在激活后迅速参与蛋白质翻译转换过程。

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mRNA翻译 | 为确实是否在转录层面调节了T细胞活化后核糖体输出效率增加,作者对初始T细胞和活化T细胞进行转录组学分析(RNA-seq),并建立了绝对mRNA 拷贝数算法。结果显示,初始T细胞中,转录丰度与蛋白合成率的Spearman相关性系数为0.41,激活24小时后达到0.65,证实存在广泛的转录后调控。有趣的是,作者筛选出242个mRNA,在初始T细胞中受到强烈抑制,在激活6小时后翻译速度提高3倍以上,如CD69、CD40L和JUN-B等。提示初始T细胞中保持了以上被抑制的mRNA的存储,这些mRNA可在刺激后迅速参与细胞激活过程。

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3. 蛋白组学分析记忆T细胞中蛋白翻译动力学特征

众所周知,记忆T细胞比初始T细胞具有更高的代谢活性、且更易对抗原做出反应。作者从4位健康供体中分离出高纯度的初始CD45RO+CD4+记忆T细胞,无刺激条件下在含有同位素标记氨基酸的培养基中培养0、6、12、24、48h细胞样本进行蛋白组学分析。结果显示,初始T细胞中高周转率的23种蛋白在记忆T细胞中变化一致,且周转率更高。此外,记忆T细胞的总蛋白合成速率和核糖体输出量均高于初始T细胞。

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小编总结

本文中,作者深入研究了病原体刺激后初始T细胞迅速活化的内在机制。作者利用多组学(转录组学+蛋白组学)发现初始T细胞中维持细胞静息的转录因子具有高更新效率(细胞激活后迅速耗竭)。此外,初始T细胞中还含有大量空转核糖体及多种mRNA(被抑制)和糖酵解酶,以便在细胞受到刺激后迅速开启反应和糖酵解过程,加速T细胞活化。本研究为免疫学提供了重要资源,也为未来免疫相关疾病治疗提供了理论依据。

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