不同转录因子调控婴儿与成人记忆T细胞组织适应性及效应功能的机制研究

《Nature Immunology》：Distinct transcription factors control tissue adaptation and effector function in infant and adult memory T cells

　　

早期生命是建立记忆T细胞的关键时期，此类新生记忆T细胞可快速定植于黏膜部位，但其保护性弱于成人对应细胞。研究人员通过对婴儿（2–9月龄）与成人（40–63岁）器官供体淋巴及黏膜组织的静息及CD3+CD28抗体刺激的T细胞进行单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq），探究人记忆T细胞功能调控的年龄依赖机制。婴儿CCL5+效应记忆T细胞（effector memory T cells, TEM）较成人表现为效应功能降低。转录因子（transcription factor, TF）网络分析鉴定HELIOS与KLF6分别调控婴儿与成人组织记忆T细胞状态。结合单细胞核RNA测序（single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq）、转座酶可及染色质测序（assay for transposase-accessible chromatin sequencing, ATAC-seq）及CRISPR–Cas9基因敲除，研究人员确定HELIOS（IKZF2）是婴儿CCL5+TEM中婴儿特异性转录程序的关键调控因子，并限制SELL+CCR7+初始及/或中央记忆T细胞（naive and/or central memory T cells, TN–TCM）的效应功能。本研究揭示了早期生命中控制T细胞功能状态的关键机制。

论文解读：婴儿与成人记忆T细胞功能差异的转录调控机制

研究背景与意义

早期生命时期免疫系统接触共生微生物、病原体及疫苗抗原后产生原发应答并建立记忆T细胞（memory T cells），是终生免疫保护的基础。但婴幼儿仍对呼吸道及胃肠道常见病原体高度易感，提示其记忆应答发育不完善。小鼠模型表明婴幼儿效应/记忆T细胞生成减少且保护性弱于成人，机制涉及T细胞受体（T cell receptor, TCR）敏感性、造血前体细胞及近期胸腺迁出细胞的内在差异，但人类婴幼儿记忆T细胞效应功能受限的具体转录调控机制尚不清楚。人体多组织研究已发现出生后1–2年黏膜部位即有CD45RA^?CCR7^?CD69⁺T细胞快速定植，但该类细胞表达较少组织驻留记忆T细胞（tissue-resident memory T cells, T_RM）标志（如CD103、CD49a、CD101、CCR9）及炎性细胞因子（IFN-γ、TNF）。本文发表于《Nature Immunology》，旨在阐明人类婴幼儿与成人淋巴及黏膜组织记忆T细胞转录及功能差异的年龄依赖性调控机制，并鉴定关键转录因子。

主要关键技术方法

研究人员获取美国器官捐献组织项目提供的婴儿（n=4，2–9月龄）及成人（n=4，40–63岁）多组织（血、骨髓、脾、扁桃体、肠派尔集合淋巴结、肺/空肠/结肠引流淋巴结、肺、空肠、回肠、结肠），磁分选富集T细胞后行静息或过夜CD3+CD28抗体刺激，进行10x Genomics scRNA-seq；合并已发表成人数据共约275,000个单细胞。对部分供体脾细胞行10x Multiome snRNA-seq/ATAC-seq。采用一致性层次泊松分解（consensus Hierarchical Poisson Factorization, consensus-scHPF）提取共表达基因模块；应用ARACNe重建基因调控网络并用GSEA关联转录因子与scHPF因子；通过VIPER推断单细胞转录因子活性；对婴儿原代T细胞行CRISPR–Cas9 RNP电转敲除IKZF2（HELIOS），结合scRNA-seq验证靶基因及功能改变；流式检测HELIOS蛋白及胞内细胞因子（IFN-γ、IL-2、TNF）。

研究结果

scRNA-seq maps T?cell subsets across tissues and age（scRNA-seq绘制跨组织与年龄的T细胞亚群分布）

对婴儿与成人12个组织来源T细胞scRNA-seq整合分析，按SELL⁺CCR7⁺定义为T_N–T_CM、CCL5⁺为T_EM（CD4⁺与CD8⁺），并识别FOXP3⁺调节性T细胞（regulatory T cells, T_reg）及γδ T细胞。婴儿血及淋巴组织以T_N–T_CM为主，黏膜以CCL5⁺T_EM为主但比例低于成人对应部位；成人黏膜及脾以CCL5⁺T_EM为主。结论：婴儿与成人各组织T细胞亚群组成存在组织特异性年龄差异。

Infant T_EMcells are hyporesponsive to TCR stimulation（婴儿T_EM细胞对TCR刺激呈低反应性）

静息婴儿CCL5⁺T_EM高表达干细胞样转录因子TCF7（编码TCF1）、LEF1、KLF2、SOX4及IKZF2（HELIOS），成体CCL5⁺T_EM高表达组织适应/黏附分子（LGALS1、LGALS3、ITGA1等）。CD3+CD28刺激后成人T_EM效应分子（IFNG、IL2、TNF、GZMB、CCL3/4）诱导强于婴儿；流式证实成人脾CD4⁺/CD8⁺CCR7^?T_EM经PMA+离子霉素刺激后IFN-γ⁺、IL-2⁺、TNF⁺频率显著高于婴儿。结论：婴儿CCL5⁺T_EM具干细胞样转录特征且在TCR刺激下效应功能受限。

T?cells activate age- and tissue-specific programs（T细胞激活年龄及组织特异性共表达程序）

Consensus-scHPF鉴定18个功能模块，其中"infant tissue"模块（含IKZF2、SMC4、NCR3、LAYN等）特异富集于婴儿CCL5⁺T_EM；"tissue signature"模块（S100A4/6、LGALS1、KLRB1等）及"gut residency"模块（CCR9、ITGA1、AHR、JUN等）富集于成人CCL5⁺T_EM，后者偏肠黏膜。"cytotoxicity""chemokine/cytotoxic""inflammatory cytokine"模块均于成人T_EM更高。扩散映射显示成人CD8⁺T_EM沿活化轴偏移更明显。结论：婴儿与成人T细胞具不同的组织适应及TCR刺激效应转录程序。

T?cells activate age-specific TFs（T细胞激活年龄特异性转录因子）

ARACNe推断调控网络并GSEA关联scHPF因子与转录因子调控子（regulon），HELIOS（IKZF2）为"infant tissue"因子顶级调控因子，KLF6为"tissue signature"及"gut residency"因子顶级调控因子。VIPER分析示HELIOS活性限婴儿T_EM，KLF6活性随成熟升高；LEF1/TCF1活性富集于婴儿T_EM，RUNX3两年龄均有活性，芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor, AHR）富集于成人。结论：HELIOS与KLF6分别为婴儿组织适应程序与成人组织/肠驻留程序的关键推定调控因子。

HELIOS regulates effector function of infant T?cells（HELIOS调控婴儿T细胞效应功能）

对婴儿及成人脾CD8⁺CCL5⁺T_EM行配对snRNA-seq/ATAC-seq，鉴定婴儿特异状态及两个成人状态，沿婴儿→成人伪时间轨迹HELIOS活性富集于婴儿状态。IKZF2位点上游具婴儿特异染色质开放峰含SOX4、ETV1等结合基序。流式示婴儿各T亚群HELIOS⁺比例高于成人，且刺激不诱导其上调。CRISPR–Cas9敲除IKZF2使婴儿T细胞中HELIOS激活靶基因（LAYN、SMC4等）下调。刺激条件下HELIOS敲除婴儿T_N–T_CM上调效应/趋化因子基因（IL2、CCL3/4、XCL1/2等）及共刺激分子，并上调成人相关转录因子KLF6、IRF1/2、STAT5A，静息状态干细胞样TCF7/LEF1在刺激后降低。scHPF效应模块在敲除后增强。结论：HELIOS是婴儿T细胞效应分化及组织驻留程序的细胞内在抑制因子，缺失使婴儿T细胞向成人样转录及功能状态转变。

讨论部分总结（翻译研究结论）

研究人员通过分析人组织来源婴儿与成人T细胞的功能应答及组织定位，发现婴儿期记忆T细胞主要局限于黏膜部位、功能呈低反应性且较成人记忆T细胞低表达组织驻留关键分子。HELIOS与KLF6分别被确定为调控婴儿与成人组织记忆T细胞功能及组织驻留的关键转录因子。snATAC-seq证实HELIOS调控活性特异富集于婴儿记忆T细胞，婴儿T细胞特异性敲除HELIOS增强活化及效应功能使之近似成人记忆T细胞表型。结果表明年龄特异性转录程序控制组织适应与效应应答是早期生命限制记忆T细胞功能的机制。HELIOS作为婴儿T细胞活化与分化及组织驻留效应的主要抑制因子被提出，其缺失诱导KLF6等成人样转录因子表达及效应基因上调。KLF6被鉴定为成人多组织及肠特异驻留特征的推定调控因子，可能参与儿童期T_RM细胞的阶段成熟。早期记忆T细胞偏好诱导HELIOS程序可能协同T_reg介导外周耐受以防广泛抗原暴露期组织损伤，组织驻留程序随年龄、抗原暴露及微环境变化获得。本研究鉴定的年龄特异性转录因子为早期生命免疫干预（疫苗及免疫治疗优化）提供了潜在靶点。