《Nature Communications》：Unbiased recording and identification of thymic cellular interactomes using synthetic Notch receptors
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为了解决胸腺内细胞间相互作用如何在体内支持T细胞发育及如何随衰老而改变的问题，研究人员利用合成NOTCH（synNotch）受体，在小鼠体内对与CD4+及CD4+CD8+胸腺细胞有物理接触的细胞进行了无偏的遗传学荧光标记。通过前瞻性分选和单细胞转录组测序，他们解析了支持T细胞成熟的胸腺细胞互作网络，并揭示了衰老对该网络的侵蚀作用。该研究为理解T细胞发育的细胞基础提供了新视角和新方法。
在免疫系统的“训练营”——胸腺中，未成熟的T细胞前体经历一系列精密的筛选与教育，最终成长为能够识别敌人、保护自身、不攻击自己人的成熟T细胞战士。这个过程并非T细胞独自完成，而是高度依赖于它们与胸腺内众多“教练”和“陪练”细胞的紧密互动，包括胸腺上皮细胞、树突状细胞、B细胞等多种免疫与基质细胞。然而，长久以来，科学家们想要在活体动物体内精确、无偏见地捕捉并鉴定这些瞬息万变的细胞间接触，却面临巨大挑战。传统方法，如成像技术、关键分子因子基因敲除和骨髓嵌合体，虽各有贡献，但或受限于视野广度，或依赖于预设的分子标记，难以全景式、无预设地揭示在复杂生理环境下，究竟是哪些细胞在与发育中的T细胞“握手”，以及这些接触传递了哪些关键信息。尤其令人关注的是，随着年龄增长，胸腺会逐渐萎缩，功能衰退，这是免疫衰老（Immunosenescence）的核心特征之一。衰老究竟如何“侵蚀”胸腺内精密的细胞社交网络，进而影响T细胞的产出与质量，仍是一个待解之谜。为了直接、无偏地描绘支持T细胞发育的体内细胞互作图谱，并探究其随衰老的动态变化，一项发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的研究，巧妙地运用了合成生物学工具，开启了一扇观察胸腺细胞“社交生活”的新窗口。
研究人员所开展研究的核心，依赖于一项关键的技术方法：合成Notch（synNotch）受体系统。这是一种可定制的细胞间接触传感器，当表达synNotch的“发送”细胞（本研究中的CD4+和CD4+CD8+胸腺细胞）与表达特定配体的“接收”细胞发生物理接触时，能触发“发送”细胞内部报告基因（如荧光蛋白）的表达，从而永久标记那些有过接触的“邻居”细胞。利用这一系统，研究团队得以在小鼠体内，对与上述两类胸腺细胞有直接物理相互作用的细胞群体进行遗传学上的荧光标记。随后，他们通过流式细胞术分选这些被标记的细胞，并对其进行高精度的单细胞RNA测序（scRNA-seq），从而在单细胞分辨率下，全面解析了这些相互作用细胞的转录组特征和细胞类型组成。通过结合配体-受体对分析，进一步推断出细胞间可能传递的关键信号。
基于synNotch的相互作用细胞捕获与表征
研究人员成功建立了基于synNotch的体内细胞互作捕获系统。将表达synNotch受体的胸腺细胞过继转移至受体小鼠后，他们观察到了预期的、由细胞接触依赖的荧光报告基因激活。流式细胞分析证实，从胸腺中能够分选出被荧光标记的、与胸腺细胞有过相互作用的细胞群体。这部分研究确立了该方法在体内鉴定细胞间物理接触的有效性。
互作细胞的转录组鉴定揭示胸腺细胞互作组
通过对分选得到的相互作用细胞进行单细胞转录组测序和无监督聚类分析，研究团队全面绘制了胸腺细胞互作图谱。分析显示，与CD4+和CD4+CD8+胸腺细胞相互作用的细胞类型十分多样，构成了复杂的“胸腺细胞互作组”。关键的互作细胞包括：1）树突状细胞，特别是交叉呈递树突状细胞；2）B细胞；3）产生IL-17的γδ T细胞（IL-17+γδ T细胞）；4）多种成纤维细胞亚群；5）髓质胸腺上皮细胞和皮质胸腺上皮细胞。这一发现直接揭示了在体内生理环境下，支持T细胞阳性选择和阴性选择的复杂细胞网络。
配体-受体相互作用分析揭示关键细胞信号
为了理解这些细胞接触所传递的生物学信息，研究人员对互作细胞与目标胸腺细胞之间潜在的配体-受体对进行了系统性分析。分析结果突出了几类重要的信号通路：1）与细胞生存相关的信号，如IL-7/IL-7R通路；2）与T细胞分化相关的信号，如Notch配体-受体相互作用；3）与抗原呈递相关的信号，如MHC-II类分子与T细胞受体的相互作用。这为解释不同基质细胞如何协调调控T细胞的发育、选择和存活提供了分子层面的线索。
衰老重塑胸腺细胞互作组
接下来，研究探讨了衰老对胸腺细胞互作网络的影响。通过比较年轻和老年小鼠的互作细胞图谱，他们发现衰老导致了显著的改变。老年小鼠胸腺中，与胸腺细胞相互作用的特定基质细胞亚群（如某些成纤维细胞亚群）和免疫细胞亚群（如特定的树突状细胞亚型）的比例和/或状态发生了显著变化。这些变化暗示，衰老不仅减少了胸腺的细胞总量，更关键地是“侵蚀”或重塑了细胞间支持T细胞正常发育的特异性相互作用网络，这可能是胸腺功能随年龄衰退的重要机制。
研究结论与重要意义
该研究通过开发并应用基于合成Notch受体的无偏遗传学方法，首次在体内直接、全景式地鉴定了与发育中胸腺细胞物理相互作用的细胞群体，绘制了详细的胸腺细胞互作组图谱。研究不仅确认了已知的相互作用细胞（如胸腺上皮细胞），还发现了新的互作伙伴（如IL-17+γδ T细胞、特定成纤维细胞亚群），丰富了我们对T细胞发育微环境的认知。通过单细胞转录组分析和配体-受体对分析，研究进一步揭示了这些相互作用所涉及的、关乎T细胞生存、分化和选择的潜在关键信号通路。更重要的是，研究揭示了衰老过程会导致这一精密互作网络发生特异性重塑，为理解免疫衰老的细胞基础提供了全新视角。这项工作建立的方法具有普适性，为研究其他生理或病理过程中复杂的细胞间相互作用提供了强大的新工具。总之，该研究在细胞互作水平上深化了对T细胞发育和胸腺衰老机制的理解，其方法论和发现对免疫学、合成生物学及衰老研究领域均有重要意义。
