分子生物學 科學報導

承載高齡疾病風險:Sestrins 對老化 T 細胞的調控

高齡族群相對容易暴露於感染與癌症發生的風險之中,因此深入探究老化過程中免疫系統的變化,將有助於發現藥物治療標靶。隨著年歲流逝,細胞發育成熟與分化後,在反覆活化與刺激下,經歷了端粒縮短、訊息傳導再調節、與生長遲滯等一系列的變化,這個轉化的過程便形塑了老化的獨特生理樣態。CD8+ T 細胞在不斷遭受外來病原體侵擾與重複增生的情況下,逐漸走向老化,這項改變也是使老年個體免疫力下降的原因之一。高度分化的 CD8+ T 細胞喪失了 CD27 與 CD28 等表面蛋白,表現出類老化(senescent-like)的特徵,細胞內外皆有與老化相關的蛋白表現,且其 T 細胞受體(T cell receptor, TCR)訊息傳導、細胞增生與成長等能力皆受損 [1]。TCR 訊息傳導透過 T 細胞表面受體,啟動下游與細胞增生、成長、分化、及產生趨化因子相關的傳訊級聯反應(signaling cascade),調節 T 細胞的發育及對外來抗原產生免疫效應的機制。

一篇 2020 年發表於 Nature Immunology 的研究 [2] 便以此為探討主軸。研究團隊提出假設,認為類老化的 T 細胞發展出有別於傳統的 TCR 訊息傳導與細胞增生機制,並藉此維持老化後的免疫功能。

圖一、與初始 CD8+ T 細胞(naïve T cell,TN,CD27+CD45RA+CD8+)相較,不同分化程度的 CD8+ T 細胞中的特定基因表現量,包含 TCR 複合體與訊息傳導、NK 轉接蛋白、胞殺作用、NK 趨化因子受體、與 NK 受體等。TCM: central memory T cell(CD27+CD45RA-CD8+), TEM : effector memory T cell(CD27-CD45RA-CD8+),TEMRA: terminal effector memory T cell(CD27-CD45RA-CD8+)。圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41590-020-0643-3

團隊首先透過轉錄體分析比較分化程度不同的 CD8+ T 細胞之間基因表現情形的差異(圖一)。統計分析發現,高度分化的 T 細胞(主要為 TEMRA,細胞表面抗原標記為 CD27CD45RACD8+ 或 CD27CD28CD8+)中,協同刺激、TCR 訊息傳導、細胞增生以及細胞週期調控等基因的表現量比初始 T 細胞(naïve T cell,TN)來得低;而編譯自然殺手細胞受體(natural killer receptor, NKR)、調控先天免疫訊息傳導、及與胞殺作用(cytotoxicity)相關的基因表現量則較高,顯示當 CD8+ T 細胞逐漸分化時,將會經歷一系列蛋白表現的變化,走向最後分化(terminal differentiation),產生胞殺特性,同時削弱細胞增生的潛能,並出現類老化的特徵。透過單細胞 RNA 定序分析(scRNA-seq),檢驗與 NK 功能和老化現象相關的生物標記,進一步驗證了類老化 T 細胞中 NKR 相關基因表現量較高,顯示類老化 T 細胞與 NK 細胞有相似的特徵(圖二)。

圖二、初始 CD8+ T 細胞與類老化 CD8+ T 細胞中的 NK 及老化生物標記。圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41590-020-0643-3

團隊接著測試類老化的 CD8+ T 細胞是否能不仰賴 TCR─MHC (major histocompatibility complex,主要組織相容性複合體)的交互作用執行胞殺功能。由於 K562  這一腫瘤細胞株不具有第一型 MHC,無法與 CD8+ T 細胞形成 TCR─MHC 複合體,因此若類老化 CD8+  T 細胞可執行胞殺作用,則意味著 T 細胞可以藉由其他方式清除癌細胞。利用去顆粒degranulation 因子 CD107a 的表現量與細胞存活率試驗進行評估,發現類老化 T 細胞針對 K562 細胞進行胞殺的能力與 NK 細胞相仿。團隊也利用 siRNA 抑制 NK 細胞活化受體 NKG2D 與其轉接蛋白adapter protein DAP12,確認類老化 T 細胞的胞殺功能確實由 NKG2D 與 DAP12 的表現調節。

另一方面,團隊也觀察到類老化 T 細胞在 TCR 受到刺激後的細胞增生能力減退,推論可能是 CD3─TCR 複合體的組成蛋白表現量或活化程度降低,致使 TCR 訊息傳導能力下降,由流式細胞分析發現部份蛋白的磷酸化程度降低,也注意到類老化的 T 細胞中 sestrins 蛋白的表現量較高。Sestrin(Sesn)是一種壓力感測的蛋白,會與 CD4+ T 細胞中的 AMPK 與 MAP 等激酶形成複合物,進而抑制 TCR 的訊息傳導作用 [3]。團隊發現在高度分化的效應 T 細胞(effector T cell)中,sestrin 2 與磷酸化的 Jnk 蛋白表現量均增加,且由影像分析發現這兩個蛋白會在細胞中與 NKG2D 及 DAP12 共定位colocalize)(圖三)。進一步使用 shRNA 及藥物抑制 sestrins 的作用,確認了 sestrins 對於 NKG2D 的調節作用。

圖三、Sesn2(綠)、DAP12(紅)、與 p-Jnk(黃)在初始 CD8+ T 細胞與類老化 CD8+ T 細胞中的定位情形。細胞核以 DAPI 染色。BF:bright field。圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41590-020-0643-3

那麼 NKR 表現量增加的情形,是僅限於細胞老化的特徵,抑或是細胞受到抗原刺激的結果呢?團隊分析公開資料庫中黃熱病疫苗接種後的反應 [4],發現個體接種疫苗後的效應 T 細胞(TE,疫苗接種後 14 天)與記憶 T 細胞(TM,疫苗接種後 4~13 年)中,許多調節胞殺作用的基因、NKR、及趨化因子受體基因的表現皆提升,而 TCR 訊息傳導相關的表現則有輕微下降的趨勢。TM 細胞具有細胞增生潛能且並無老化標記的表現,代表 NKR 表現量增加的現象不僅限於老化,也可能在效應 T 細胞暴露於病原體侵擾時發生。

為實際了解 sestrins 是否直接調節了 CD8+ T 細胞中的 NKR 表現,團隊透過野生型與 sestrin 基因剔除小鼠模式系統,分析小鼠接種甲基化牛血清白蛋白(methylated BSA, mBSA疫苗後的延遲性過敏反應(delayed-type hypersensitivity,發現老化野生型小鼠的 NKG2D 及 DAP12 等 NKR 表現也比年輕小鼠來得高,分析其他 T 細胞亞群的 NKR 表現情形,更進一步驗證了 sestrins 專一地調控了 CD8+ T 細胞中的 NKR 表現。在事先去除小鼠體內的 NK 細胞後,團隊由靜脈注射骨髓瘤細胞,探討類老化 CD8+ T 細胞的胞殺作用,發現若老化小鼠喪失 sestrins,可強化免疫功能與發炎反應,但同時也會使老化小鼠清除腫瘤的能力受創。

綜合以上研究結果,在受到 sestrins 的誘導後,隨著初始 CD8+ T 細胞逐步分化為 CD27CD28 的類老化效應 T 細胞,TCR 訊息傳導與細胞增生能力下降,但同時也使細胞中與胞殺作用相關的基因、NK 受體與其轉接蛋白等表現量上升,使得類老化的 CD8+ T 細胞具有較強的、類似 NK 細胞的胞殺功能。小鼠實驗也發現類老化 T 細胞的功能有助於調節高齡個體面對的腫瘤壓力。這項機轉或許可補償老化過程中或潛伏性病毒感染(latent viral infection下 T 細胞長期受到刺激活化所累積的缺陷。由於 NKG2D 的訊息傳導並不具有抗原專一性,活化作用不受限於 TCR 抗原辨識的廣泛度與特異性。這些研究發現也意味著,若是暫時抑制 sestrins,或許有助於調整疫苗接種的策略,並使老化族群對於病毒感染的抗原特異反應強化。

Investigator 選文|Senescence blurs the line between innate and adaptive immune cells
Investigator 選文|How the ageing microenvironment influences tumour progression

參考文獻:

[1] Tarazona, R., DelaRosa, O., Alonso, C., Ostos, B., Espejo, J., Peña, J., & Solana, R. (2001). Increased expression of NK cell markers on T lymphocytes in aging and chronic activation of the immune system reflects the accumulation of effector/senescent T cells. Mechanisms of ageing and development, 121(1-3), 77-88.

[2] Pereira, B. I., De Maeyer, R. P., Covre, L. P., Nehar-Belaid, D., Lanna, A., Ward, S., … & Akbar, A. N. (2020). Sestrins induce natural killer function in senescent-like CD8+ T cells. Nature immunology, 21(6), 684-694.

[3] Lanna, A., Gomes, D. C., Muller-Durovic, B., McDonnell, T., Escors, D., Gilroy, D. W., … & Akbar, A. N. (2017). A sestrin-dependent Erk–Jnk–p38 MAPK activation complex inhibits immunity during aging. Nature immunology, 18(3), 354-363.

[4] Akondy, R. S., Fitch, M., Edupuganti, S., Yang, S., Kissick, H. T., Li, K. W., … & Ahmed, R. (2017). Origin and differentiation of human memory CD8 T cells after vaccination. Nature, 552(7685), 362-367.

撰文|陳品萱
審稿|黃玟瑜

About the author

陳 品萱

陳 品萱

2019國立陽明大學基因體科學研究所碩士畢,主要研究興趣為人類遺傳學與基因體學,對於congenital anomalies & developmental diseases的源起與遺傳背景格外好奇並持續探索中。曾參與2015 iGEM,並於大學期間擔任職涯沙龍副召及營隊教學長。喜愛科學傳播與寫作,期盼在Investigator與來自不同領域的人們交流,共同學習與成長。

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