NR4A1

引言 在对抗慢性感染和肿瘤的斗争中，T细胞衰竭（T cell exhaustion）是一个备受关注的领域。T细胞的衰竭状态使它们在面对长期的抗原暴露时功能减退，表现为效应功能削弱和细胞毒性因子的减少。这种现象不仅阻碍了免疫系统清除慢性病毒感染和肿瘤细胞的能力，还为新型免疫疗法的开发带来了重大挑战。然而，衰竭T细胞的前体是否只能在慢性感染中形成？或者，它们是否也能在急性感染的早期阶段被预先“部署”？这些问题的答案不仅挑战了传统的免疫学观点，也为未来的免疫治疗策略提供了新的启示。 1月8日Nature的研究报道“Precursors of exhausted T cells are preemptively formed in acute infection”，通过多种实验技术，包括单细胞RNA测序（scRNA-seq）、流式细胞术和表观遗传分析，揭示了急性感染中形成的T细胞群体的异质性。结果发现，在急性感染的早期阶段，部分T细胞已显示出类似于慢性感染中衰竭前体细胞（Tpex, precursors of exhausted T cells）的特征。这些细胞不仅表达衰竭相关标志物（如PD-1和TOX），还呈现出独特的转录组和表观遗传特征。这一发现颠覆了传统观念，表明即使在急性感染中，T细胞衰竭的“种子”也已被提前播下。 此外，研究还揭示了T细胞受体（TCR）信号强度和PD-1信号在调控这些衰竭前体细胞形成中的关键作用。这不仅帮助我们理解衰竭T细胞的形成机制，还为增强免疫应答或抑制过度炎症的治疗策略提供了潜在的干预靶点。 该研究不仅揭示了免疫系统在急性感染期间的复杂性，还为免疫治疗提供了新的方向——通过调控衰竭前体细胞，或许可以在慢性疾病和肿瘤治疗中实现更加精准和高效的干预。 T细胞衰竭：免疫系统的“双刃剑” 在免疫系统中，T细胞是抵御病毒感染和肿瘤的核心武器。然而，当T细胞在面对持续抗原刺激时，其功能会逐渐减弱，进入一种被称为“衰竭”（exhaustion）的状态。研究表明，这种现象虽然常见于慢性病毒感染和肿瘤中，但其形成机制和作用却比我们想象的更加复杂。 衰竭T细胞主要表现为功能性削弱，包括细胞因子分泌能力的下降和杀伤目标细胞效率的降低。它们通常伴随高表达的抑制性受体（如PD-1、LAG-3）和特定的转录因子（如TOX、EOMES）的激活。此外，这些细胞还具有稳定的表观遗传标记，使其“衰竭”状态即使在抗原消失后也难以逆转。这种状态看似是免疫系统的一个“失败”标志，但实际上它承担了双重角色。 一方面，衰竭T细胞是免疫系统对抗长期抗原暴露的一种保护性机制。它们的功能性削弱避免了免疫系统的过度活化，从而减少组织损伤和免疫病理的风险。另一方面，这种状态也削弱了免疫系统清除病毒或肿瘤的能力。特别是在慢性肝炎病毒感染或某些肿瘤中，衰竭T细胞的低效能成为免疫治疗的重大障碍。 T细胞衰竭的存在体现了免疫系统的复杂平衡：它既是对持久抗原的防御性妥协，也是制约免疫治疗成功的一大难题。 传统认知的挑战：衰竭前体细胞的“意外”发现 长期以来，衰竭T细胞（exhausted T cells）的形成被认为是慢性感染或肿瘤特有的现象。这些疾病通常伴随着持续的抗原暴露和炎症环境，这种复杂的免疫刺激条件被视为衰竭T细胞生成的必要因素。传统观念认为，在急性感染中，由于病原体通常被迅速清除，T细胞大多形成记忆细胞，而非衰竭细胞。然而，这一理论在该研究中被颠覆。 该研究通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）和表观遗传分析，首次在急性感染的早期阶段发现了衰竭前体细胞（Tpex, precursors of exhausted T cells）。这些细胞表现出与慢性感染中Tpex类似的分子特征，例如高表达PD-1和TOX，同时具备独特的转录组和表观遗传特征。这一发现表明，Tpex并非慢性感染的“专属产品”，而是在急性感染中就已“预设”。 进一步分析显示，在急性感染的早期阶段，Tpex与传统记忆前体细胞（Tmpc, memory precursor T cells）共存于异质性T细胞群体中。这些Tpex在急性感染中最初数量相当可观，但随着感染被免疫系统清除，它们的数量逐渐减少，但并未完全消失。这种现象表明，无论感染结果如何，衰竭前体细胞都被“预先生成”，以备感染可能进入慢性阶段。 这一突破性研究不仅挑战了传统观点，还揭示了免疫系统的“未雨绸缪”机制：通过在急性感染中提前生成Tpex，机体为可能的慢性感染做好准备。这种适应性策略可能是进化过程中的一项重要功能，为我们提供了重新认识T细胞衰竭动态过程的全新视角。 急性LCMV特异性T细胞群体的转录特性与衰竭T细胞的相似性（Credit: Nature） UMAP聚类分析（A）： 研究基于已发表的数据集，分析了转移LCMV特异性TCR转基因P14 T细胞的转录组特性，这些细胞在急性LCMV Armstrong感染的小鼠模型中，于感染后4.5天和7天被分离并检测。上图的UMAP投影识别出8个细胞亚群，并通过Louvain算法进行分类，展示了这些细胞的转录组异质性。中图显示了4.5天和7天两个时间点上，细胞群在各个亚群中的分布。结果显示，这些亚群在时间上的动态分布存在明显差异，提示感染进程对T细胞命运的影响。下方的柱状图则进一步量化了各个亚群在不同时间点的相对数量比例，揭示了某些亚群（如与记忆相关的细胞群）在后期显著增加，而其他亚群（如效应细胞群）可能逐渐减少。 簇特征的基因表达（B）： 使用基因特征点图（Signature dot plot）分析各个亚群中不同标志基因的表达情况。颜色编码表示基因的平均表达水平，圆圈大小则表示亚群内表达该基因的细胞比例。分析结果显示，与衰竭相关的标志基因（如TOX、PD-1）在部分亚群中显著表达，而其他亚群则呈现记忆标志基因（如IL7R）或效应基因（如GZMB、IFNG）的高表达。这一结果说明，即使在急性感染中，也存在转录特性与慢性感染中衰竭T细胞相似的细胞群。 特定基因表达的特征分布（C）： 使用特征图（Feature plots）展示了特定标志基因（如效应基因GZMB、记忆基因IL7R、衰竭基因TOX和PD-1）的空间分布及表达水平。结果显示，不同标志基因在UMAP投影中的分布模式清晰，进一步支持了T细胞亚群在急性感染中具有显著的功能异质性。例如，效应细胞群以高表达GZMB为特征，而某些与衰竭相关的标志基因则在另一些群体中呈现出明显表达。 从分子到细胞：Tpex的独特特征 衰竭前体细胞（Tpex）是一个在急性和慢性感染中均被发现的特殊T细胞群体，其独特的分子和功能特性将其与传统记忆前体细胞（Tmpc）区分开来。通过单细胞RNA测序和表观遗传分析，研究人员揭示了Tpex与Tmpc在转录组和功能层面的差异，并为Tpex的生物学角色提供了全新视角。 在转录组层面，Tpex表现出高表达PD-1和TOX等与T细胞衰竭相关的基因，同时具有特定的转录因子，如NR4A1和IKZF2，这些基因的表达模式更接近于慢性感染中的衰竭T细胞。而相比之下，Tmpc更倾向于表达IL7R和SELL等与长期存活和增殖相关的记忆细胞标志物。此外，Tpex在表观遗传上也显示出独特的“衰竭印记”，例如在TOX和PD-1基因区域的染色质开放程度显著高于Tmpc。这种表观遗传特性为Tpex提供了稳定的细胞身份，即使在环境条件改变后，其特性依然可以部分保留。 功能上，Tpex与Tmpc的分化潜力和效应能力也有显著不同。Tpex更倾向于分化为衰竭终末效应细胞，而Tmpc则具有更高的能力分化为功能完整的效应T细胞或记忆T细胞。实验数据显示，Tpex在感染早期对IFNγ和TNF等关键细胞因子的分泌能力明显低于Tmpc。这表明，Tpex在功能上已展现出向衰竭方向发展的趋势。 尽管Tpex与Tmpc共享部分分子特征（如Tcf7表达），它们却在命运选择上展现出分化路径的明显分歧。这种异同不仅反映了T细胞群体内部的高度异质性，也进一步揭示了Tpex在慢性和急性感染中的独特角色。 TCR信号与PD-1调控：Tpex生成的关键因素 衰竭前体细胞（Tpex）的生成是一个高度复杂且受到多重信号调控的过程，其中T细胞受体（TCR）信号强度和抑制性受体PD-1的作用尤为关键。研究显示，这两种信号在调控Tpex形成中相互交织，塑造了T细胞在急性感染中的命运。 实验结果表明，强TCR信号是Tpex形成的主要驱动力。在急性感染中，高亲和力的抗原刺激能够显著增加Tpex的比例。例如，当OT-1转基因T细胞暴露于高亲和力的N4肽（SIINFEKL）时，其TOX的表达显著高于暴露于低亲和力V4肽（SIIVFEKL）时。这表明，强TCR信号通过驱动特定转录因子（如TOX和NR4A1）的表达，促使T细胞向衰竭方向分化。这种机制在慢性感染中同样存在，但在急性感染中的发现表明TCR信号强度是Tpex生成的普适性关键因素。 然而，TCR信号的强度并非无限制地推动Tpex的生成。PD-1信号在这一过程中扮演了“刹车”的角色。PD-1通过与其配体的结合，抑制T细胞的活化信号，从而限制Tpex的形成。研究发现，当缺乏PD-1的T细胞在感染中接受强TCR信号时，其TOX表达水平显著升高，Tpex比例也明显增加。这一现象表明，PD-1信号通过抑制TCR驱动的转录程序，限制了Tpex的生成，同时可能在急性感染中保护免疫系统免受过度活化的损伤。 强TCR信号和PD-1信号之间的动态平衡不仅决定了Tpex的生成数量，还影响了其功能特性。这一机制揭示了免疫系统对抗感染时的精细调控能力，也为未来通过调控这两种信号开发新型免疫疗法提供了理论依据。 急性感染与慢性感染：Tpex的命运之谜 衰竭前体细胞（Tpex）在急性和慢性感染中的命运既有相似之处，也展现出显著的差异。通过对不同感染模型的深入研究，研究人员得以揭示Tpex的形成、维持及功能如何随感染类型而变化，并初步解开其复杂的命运之谜。 在急性感染中，Tpex的生成具有明显的早期特征。研究表明，感染后4-5天内，这些细胞以高频率出现，数量一度接近传统记忆前体细胞（Tmpc）。然而，随着感染的清除，Tpex数量逐渐减少，许多细胞被功能性记忆T细胞所取代，但部分Tpex仍能长期存留。与之相比，在慢性感染中，由于抗原的持续存在，Tpex能够持续生成并保持较高的比例，为衰竭终末效应T细胞提供长期支持。这种稳定性使得Tpex成为慢性感染中维持免疫应答的重要“储备库”。 功能上，急性感染中的Tpex呈现出高度的多样性和命运可塑性。单细胞RNA测序显示，这些细胞既具备向记忆细胞分化的潜能，也表现出部分衰竭相关特征，如高表达TOX和PD-1。在慢性感染中，Tpex则更倾向于向终末衰竭T细胞分化，其功能性显著受限。这一差异反映了抗原持续性对Tpex命运选择的深远影响。 此外，表观遗传分析揭示了Tpex在不同感染环境中的独特适应性。在急性感染中，Tpex的表观遗传状态较为多样，既包含与记忆细胞相似的特征，也展现出慢性感染Tpex的衰竭印记。这种异质性为Tpex在急性感染中的灵活响应提供了可能性，而慢性感染中的Tpex则通过稳定的衰竭标记巩固其身份。 综合来看，急性感染中的Tpex为免疫系统提供了灵活应对的潜能，而慢性感染中的Tpex则成为维持免疫平衡的关键细胞群体。 表观遗传印记：Tpex的“身份标签” 衰竭前体细胞（Tpex）的独特之处，不仅体现在其转录组和功能特性上，还深深根植于其表观遗传特征。这些“身份标签”不仅定义了Tpex的细胞命运，也为我们理解其在急性与慢性感染中的稳定性提供了重要线索。 研究发现，Tpex在表观遗传层面具有显著的衰竭标记，例如在TOX、PD-1（Pdcd1）等关键基因位点显示出较高的染色质开放程度。这些区域的开放性与衰竭T细胞的功能相关基因一致，表明Tpex在分化过程中已被“预先设定”为向衰竭方向发展的潜在路径。与传统记忆前体细胞（Tmpc）相比，Tpex在表观遗传上更接近慢性疾病环境中的终末衰竭T细胞。 进一步分析表明，这些表观遗传特征在急性和慢性感染中的表现既有共性也有差异。在急性感染中，Tpex的表观遗传状态相对多样化，其开放的染色质区域既包括与记忆相关的基因，也包含衰竭相关基因的标记。这种多样性赋予Tpex较大的命运可塑性，使其既能分化为功能性记忆细胞，又可能发展为终末衰竭T细胞。相比之下，在慢性感染中，由于抗原的持续存在，Tpex的表观遗传特征逐渐稳定，其衰竭印记进一步强化，成为维持慢性炎症环境中免疫平衡的重要细胞群。 通过对急性和慢性感染环境中的表观遗传数据进行比较，研究人员发现，Tpex在两种环境中具有高度相似的表观遗传印记，尤其是在关键转录因子结合位点（如FOS::JUN）上的信号。这表明，无论感染类型如何，Tpex的基础表观遗传特性是稳定的，但其具体功能表现可能因感染环境而有所调整。 这种表观遗传的稳定性赋予Tpex长远的适应能力，同时也为其在免疫治疗中的应用提供了可能性。 可塑性与稳定性：Tpex的未来 Tpex的可塑性与稳定性为其在慢性疾病和肿瘤中的长期作用奠定了基础。作为衰竭T细胞的“源头”，Tpex在维持免疫应答和调控免疫平衡中扮演了关键角色，其分化潜能和适应能力揭示了未来免疫治疗的巨大潜力。 研究表明，Tpex具有独特的分化路径，其一部分可以转化为终末衰竭T细胞，这些细胞通常功能受限，但在持续的抗原压力下维持对病原体或肿瘤的免疫监视。该研究显示，在慢性感染或肿瘤微环境中，Tpex的维持依赖于其干细胞样特性，包括高表达Tcf7和Bcl6等关键基因。这些基因赋予Tpex强大的自我更新能力，使其在长期抗原暴露中成为一种重要的免疫资源。 与此同时，Tpex的可塑性使其在特定环境下能够恢复部分功能。例如，在抗PD-1免疫检查点抑制剂治疗下，Tpex能够迅速扩增并产生功能性效应细胞，从而增强免疫系统的抗肿瘤能力。这一特性使得Tpex成为抗PD-1治疗的主要目标之一，其数量和状态与治疗效果密切相关。 然而，Tpex的稳定性也对其长期作用产生重要影响。研究显示，Tpex的表观遗传特性为其提供了一定的功能保真性，使其即使在动态变化的微环境中仍能维持核心特征。这种稳定性使得Tpex能够适应慢性疾病和肿瘤中的复杂环境，但也可能限制其分化潜能的完全释放。 未来，如何精准调控Tpex的可塑性与稳定性以优化免疫治疗效果，将成为一个重要的研究方向。例如，通过调控Tpex的关键分子途径，或许可以增强其分化为功能性效应细胞的能力，或稳定其干细胞样特性以维持长期免疫应答。 从Tpex的发现到其在治疗中的应用，免疫学研究正在步入一个以精准干预为核心的新纪元。通过深入探索这一细胞群体，我们或许能够将免疫治疗的潜力发挥到极致，为慢性疾病和肿瘤患者带来更多希望。 参考文献 Chu T, Wu M, Hoellbacher B, de Almeida GP, Wurmser C, Berner J, Donhauser LV, Ann-Katrin G, Lin S, Cepeda-Mayorga JD, Kilb II, Bongers L, Toppeta F, Strobl P, Youngblood B, Schulz AM, Zippelius A, Knolle PA, Heinig M, Hackstein CP, Zehn D. Precursors of exhausted T cells are preemptively formed in acute infection. Nature. 2025 Jan 8. doi: 10.1038/s41586-024-08451-4. Epub ahead of print. PMID: 39778709. 责编|探索君 排版|探索君 转载请注明来源于【生物探索】 声明：本文仅用于分享，不代表平台立场，如涉及版权等问题，请尽快联系我们，我们第一时间更正，谢谢！ End 往期精选 围观 Nature | 单细胞分析技术的革命性进展 热文 Nature Aging | 衰老可以被逆转吗？从血液标志物揭示抗衰老的可能性 热文 Nature Biotechnology | 从“止血英雄”到“抗癌先锋”：血小板的惊人新用途 热文 Science | 突破血脑屏障：T细胞如何解锁脑部疾病精准治疗的潜能？ 热文 Cell | 转座子：基因组中的“垃圾”如何化身为免疫调控的利器？

文章解读+创新点拓展，为您带来科研新体验～ 导读 随着单细胞测序技术和类器官培养技术的发展，科学家们对复杂生物系统的理解达到了前所未有的深度。近期，由张旭、吴倩和王小群领导的研究团队在《Cell》上发表了一篇重磅论文《Decoding transcriptional identity in developing human sensory neurons and organoid modeling》，通过构建人类胚胎期背根神经节（DRG）的时空发育图谱，开发了模拟人类DRG发育的类器官系统，揭示了感觉神经元分化的路径和调控机制。这项研究不仅加深了我们对神经系统发育的认识，也为未来临床治疗开辟了新的途径。 研究背景 感觉神经元是传递触觉、温度、疼痛等感觉信号的重要媒介。了解这些神经元如何从干细胞中分化而来，对于探索神经系统疾病的发生机制及开发相应的治疗方法至关重要。然而，由于伦理和技术限制，直接研究人体内感觉神经元的发育过程一直是一个巨大的挑战。本研究利用单核RNA测序（snRNA-seq）和转录因子序列荧光原位杂交（TF-seqFISH）技术，成功绘制了覆盖妊娠早期至中期的人类DRG发育的高分辨率时空图谱，填补了这一领域的空白。 研究设计与结果 研究人员首先收集了来自不同发育阶段的人类胚胎样本，并使用先进的snRNA-seq技术对其进行了全面分析。通过对数万个单个细胞的数据进行处理，他们识别出了多种特定的感觉神经元亚型及其随时间变化的空间分布模式。此外，还建立了一个人工模拟环境下的DRG类器官系统，能够再现体内DRG的发育特征。通过这种方式，研究人员可以在实验室条件下详细观察和操控感觉神经元的分化过程。 为了验证所建立的DRG类器官系统的可靠性，研究者们实施了一系列实验，包括钙成像、基因敲减以及药物抑制实验等。结果显示，这种体外培养系统可以有效地模拟真实组织中的神经元发育情况，并且发现了关键转录因子MEIS2对于某些类型感觉神经元分化的重要性。这些发现进一步证明了DRG类器官作为一种强大的工具，在研究人类神经系统发育方面具有巨大潜力。 图1：人类胚胎DRG的细胞异质性和空间分布 研究人员对妊娠周数（GW）为7-21的DRG样品进行了snRNA测序，观察到相应妊娠阶段样品之间明显的发育连续性和高转录相似性 （图1A）。并注释出19个主要细胞簇，这些细胞簇包括来自神经和胶质谱系的前体细胞及其衍生细胞。通过整合TF-seqFISH转录因子与snRNA-seq数据，研究人员分别绘制了GW8、GW10和GW18的全面DRG时空图谱，揭示了在人类DRG发育过程中细胞分化动态变化及空间特征的变化（图1B）。 通过定量分析人类胚胎DRG中主要细胞类型在妊娠阶段的变化，观察到两个明显的神经发生波。第一个波从GW7之前开始，在GW8结束，主要产生本体感受器和机械感受器；第二个波从GW7到GW12，主要产生伤害性感受器和C类低阈值机械敏感受体 (C-LTMR) 。同时，胶质细胞分化也分为两期进行，施旺细胞（SC） 和卫星胶质细胞（SGC）分别在GW12-GW15、GW17-GW21 进行分化 （图1C、1D）。值得注意的是，GW12 是一个关键的转折点，标志着神经嵴细胞（NCC）的命运从神经元向胶质细胞转变。 TF-seqFISH分析进一步揭示了不同细胞类型独特的时空分布：其中一簇未分化感觉神经元（uSN1）仅在GW8观察到，而另一簇未分化感觉神经元（uSN2）则在GW8和GW10均可见。与神经发生阶段（GW10）存在的少量胶质细胞相比，在GW18时，胶质细胞形成一个结构环包围着神经元，表明胶质增殖和分化进入后期阶段（图1E）。免疫荧光染色也验证了单细胞转录谱推断的发育轨迹，显示在GW7时，来源于uSN1的神经元（NTRK3+/RUNX3+/ISL1+，大直径神经元系）和来源于uSN2的神经元（NTRK1+/RUNX1+/ISL1+，小直径神经元系）的比例相当。 然而，到GW12时，uSN2衍生的神经元比例显著增加至76%，而uSN1衍生的神经元比例下降至8％。值得注意的是，在早期DRG发育过程中，NTRK2+机械感受器（一种uSN1衍生细胞类型）的比例始终保持较低水平（图1F-1I）。 为了准确量化SGC，研究人员对SGC-神经元单元进行了计数，反映了卫星胶质生成的动力学过程。在GW12时，有15.4% 的神经元被SGCs包围，这一比例在GW15时上升至40.9%。SC首次出现在GW17，并随后逐渐增多（图1J、1K ）。 综上所述，这些发现揭示了人类胚胎期早期和中期DRG中细胞特化严格的时间顺序以及不同类型细胞复杂的结构特征。 图2：信号通路和基因调控网络确保了ncc的多种命运分化潜能 对NCC衍生细胞分化轨迹分析发现，NCC衍生细胞可以分为感觉神经元前体细胞（SNP）和SC前体细胞（SCP）子类群。SNP进一步分化为uSN1和uSN2亚型，而SCP则进展到分化成SGC和SC（图2A）。 研究者将轨迹变量基因分为九个模块，进一步根据不同的表达趋势进行分组：持续下调、上调后下调、下调后上调和持续上调 （图2B）。这些基因模块在不同发育阶段的细胞中富集，调控人类DRG发育过程。 进一步发现了在细胞类型特异性中的各种转录因子的作用（图2C、2D）。通过进行信号通路富集分析发现 WNT 、MAPK 信号通路在 NCC 中高度富集，RA 信号通路在 NCC、SNP 和 uSN1 中富集。此外，BDNF 和 NT-3 信号通路在 uSN1 中富集，NGF 信号通路在 uSN2 中富集（图2E）。除了神经发生分支中 RUNX1/3 的特异表达外，还发现 MEIS2 和 SKOR2 是第一波神经发生的必要条件，该波主要产生大量感觉神经元，而 FOXO1 在第二波中起主导作用，主要是产生小的感觉神经元（图2F、2G）。 这一发现得到了GW7 DRG组织免疫荧光染色结果的支持，结果显示 NTRK2/3 与 MEIS2 具有显著共表达（94.6%），以及 NTRK2/RUNX3与SKOR2 之间具有显著共表达（84.8％）（图2H，2I）。同样地，NTRK1 / RUNX1与FOXO1的共表达（33.2％）强调了FOXO1作为第二波神经发生的关键调节因子的可能性（图2J）。 此外，TF-seqFISH数据证实了这些发现，并揭示了一致的RNA共表达模式，强调了uSN1中的MEIS2、SKOR2 和RUNX3以及uSN2 中的FOXO1和RUNX1 的共同表达（图2K，2L）。 图3：第一波感觉神经发生波的发育过程 第一波神经发育过程中uSN1分化为本体感受器和机械感受器（图3A、3B）。分析发现，从uSN1到本体感受器过渡期间上调的基因与神经肌肉接头有关，参与的转录因子有MEF2A 和SMAD9；机械感受器细胞中上调的基因与分化相关，参与的转录因子有DRGX 和SHOX2（图3C、3D）。差异性表达分析发现功能基因PIEZO2 主要在机械感受器中表达，ASIC1 和ASIC2 在本体感受器中表达（图3E），表明 ASIC 阳离子通道在增强本体感受器的机械敏感性方面发挥着重要作用。 研究者进一步探索了潜在的分子调节因子，将三种本体感受器亚型划分为：未特化的本体感受器P-1（NTRK3 和RUNX3）、腹侧远端本体感受器P-2 （CRTAC1、TCERG1L 和PCDH17）以及背侧远端本体感受器P-3 (CDH13、ETV1、TACR3 和ITGA2）（图3F、3G），表明本体感受器神经元的早期身份确定过程受肢体间充质信号的影响。 对于机械感受器，研究人员识别出几种不同的亚型：未特化的机械感受器（NTRK3、NTRK2 和SHOX2），Aβ纤维快适应低阈值机械感受器（Aβ RA LTMR；RET，GFRA2，MAFA和NTRK2-low），Aβ纤维慢适应低阈值机械感受器（Aβ SA LTMRs；NTRK3 和NTRK2-high） ，以及Aδ LTMR（NTRK2 和RET）（图3H、3I）。asmFISH证实了这些特殊本体感觉受和机械感受器亚型在GW18的存在及其定位（图3J）。 研究者进一步使用URD和SCENIC分析来确定分化轨迹的调节基因，发现ETV1+、NPAS2+和MEF2C+在背侧远端本体感受器中占主导地位，并且NFIA和PKNOX2在腹侧远端本体感受器表达显著（图3K）。这些发现表明，在不同的外源信号和转录因子组合在非常早的阶段就开始影响本体感受器的细胞身份和功能发育。此外，研究人员还还识别出不同机械感受器亚型富集的调控子（图3L）。 这些结果突出了TF在塑造机械感受器功能多样性的关键作用，以及皮肤类型依赖性机械感受器发育特征的作用。 图4：第二感觉神经发生波的触觉感受器多样性和分子逻辑 第二波神经发生启动了C-LTMR和伤害感受器的发育（图4A）。将uSN2衍生的神经元分为13个亚型，包括12种伤害感受器亚型和C-LTMR，每个亚型都由独特的离子通道、受体和已知的伤害感受器特异性标记物定义（图4B、4C左）。某些伤害感受器亚型表达多种感觉受体（图4C右），比如N11和N12都是NTRK3+伤害感受器，它们表达CHRNA7、GRM8、SCN1A、HRH1和TRPV1受体，表明其在多模式疼痛过程中的作用（图4B、4C）。asmFISH证实了这种表达模式，证明了这些不同类型的伤害感受器在发育过程中存在（图4D）。 在确定了伤害感受器细胞类型后，分化轨迹分析（图4E、4F）显示uSN2s中的一个分支被分为不同的亚群，这些亚群与伤害感受器亚型相关联。每个分支具有独特的调节子谱系特征。利用TF-seqFISH数据确认了相应伤害感受器亚型中RUNX1与这些特异性转录因子的表达类型，共同调节亚型多样性（图4G）。 由于在URD树中观察到uSN2的早期分离后，研究人员对uSN2进行了无监督聚类，产生了8个异质性亚组（uSN2-1到uSN2-8），每个亚组都显示出与特定的神经元亚型的强关联（图4H）。这些发现表明，从uSN2亚型衍生出的感觉神经元的命运限制可能发生在早期、未特化的阶段。 图5：非神经元细胞发育中的转录程序 在NCC分化为胶质细胞的过程中，出现了一种中间状态的SCP，能够同时向SC和SGC分化（图2A）。研究者使用树状图来追踪从SCP（CDH19+/CDH6+）到成熟SGC（APOE+）和SC（PMP22+）的胶质细胞谱系轨迹（图5A）。分析关键转录因子和基因的时空表达模式揭示了与SGC相关的基因比与SC相关的基因更早被上调，也表明SGC分化先于SC形成（图1C、1D及5B）。GO富集分析显示，在主要表达于SGC和SC中的基因参与了细胞迁移和神经功能成熟等过程（图5B）。 为了进一步阐明感觉神经元和胶质细胞之间的细胞相互作用，使用了CellChat分析，并将配体受体（LR）对分为14种不同的模块（LR1-LR14），以揭示不同细胞类型之间通信的特定LR信号通路（图5C）。神经-胶质单元的形成由外源性基质分子和特异性细胞表面受体介导，如纤连蛋白、胶原蛋白以及 Semaphorin家族超家族成员（图5D）。 值得注意的是，在各种感觉神经元亚型中识别出独特的LR对。例如，LR9 特征是LRRC4C与NTNG1的相互作用，分别富集在SGC和机械感受器中。此外，SGC表达SLIT2/3，它们专一地结合到痛觉感受器中的ROBO2（LR10），而SGC中表达的SEMA4B可以特异地结合到本体感受器中的DCBLD2（LR11）（图5E）。这些细胞类型的特殊胶质-神经元相互作用通过单细胞空间转录组数据进一步得到证实，表明周围 SGC在促进神经元特异功能方面可能发挥专门的作用（图5F）。 巨噬细胞对于免疫相关病理条件下疼痛感受器的激活起着关键作用，这些巨噬细胞表达ITGAM、CSF1R、PTPRC、MRC1和MERTK的细胞（图5G）。免疫染色显示，在DRG中巨噬细胞招募始于GW10，与第二波神经发生结束的时间一致，表明巨噬细胞可能参与并影响神经发育过（图5H）。巨噬细胞（P2RY12+）和神经元（ISL1+）的比例随着时间推移而增加（图5H、5I）。 为了阐明巨噬细胞和感觉神经元之间建立功能单元的分子相互作用，使用CellChat分析LR相互作用。GO富集分析帮助显示semaphorin-plexin和整合素信号通路在巨噬细胞招募中十分重要。此外，APOE-SCARB1、PTPRC-MRC1和SYK-FCGR2A之间的相互作用可能是巨噬细胞-神经元单位的关键调节因子，提示它们在调控DRG发育中巨噬细胞功能方面的潜在作用（图5J、5K）。 图6：感觉神经元的进化保护和分化 基于先前的数据和研究者的研究分析发现，从妊娠7周到21周的人类胚胎DRG发育过程与小鼠胚胎期第12天（E12）到出生后第4天（P4）的DRG发育进程高度相似（图6 A、6B），但存在时间上的差异，进一步分析发现在人类DRG中，细胞分化从妊娠7周至12周明显减少；而小鼠细胞分化在E12.5达峰值并持续下降直至出生（图6 C）。TRPA1、TRPV1、SCN10A、SCN11A 和ANO5 等与疼痛相关的基因的表达水平上在人类中更高；相反，P2RX2 在小鼠中的表达水平高于人类。瘙痒感知相关的基因，HRH1，在人类神经元中相对高表达；此外，参与多模态伤害感受过程的MRGPR家族成员MRGPRD未在人类胚胎DRG中表达。阿片类药物受OPRM1 和OPRD1 的表达水平在人类中较高且范围较广。 此外，TH在小鼠部分感觉神经元中表达，但在发育期的人类DRG中低表达。人与小鼠DRG发育过程中关键基因表达启动时间也有显著差，特别是与瘙痒感知相关的IL31RA、CYSLTR2 和HRH1 基因，这些基因在人类DRG中早于小鼠DRG表达（图6F）。这些观察结果强调了人类和小鼠DRG中独特的基因表达谱，揭示了感觉系统进化适应的重要见解。 此外，人类N6痛觉神经元类似于小鼠TRPM8+ 冷热感受器，N10痛觉神经元类似于小鼠SST+ 神经元，而N11痛觉神经元类似于小鼠CGRP-θ神经元（图6G）。有趣的是，免疫染色结果显示，由RET+特征标记并伴有DCC、SCN1A、NTRK3 和GRM8 的N12，在基因表达模式上没有明显的差异（图6H、6I）。N12神经元表现出钙信号通路、吗啡和尼古丁上瘾、阿片肽信号通路以及apelin信号通路相关基因的高表达。这些途径中的几个靶点被用于治疗精神疾病和偏头痛（图6J、6K）。 总体而言，这些发现揭示了物种间显著差异的基因表达和感受器细胞类型，在感觉和疼痛过程中起着关键作用。 图7：hDRGO模拟了人类感觉神经元的发育特征 基于先前的研究和对人类脊神经节发育的外源信号和内在转录因子调节的理解，研究者建立了一个稳健的方法来生成准确再现人类感觉神经元发育过程和多样性的人类背根神经节类器官（hDRGO）模型（图7A）。免疫荧光染色显示了各种感觉神经元亚型的存在（PRPH+），包括本体感受器（NTRK3+）、机械感受器（NTRK2+）和痛觉受体（NTRK1+）（图7B）。 结合钙成像和免疫荧光染，证实了hDRGO中存在丰富的DCC+/NTRK3+/NTRK1+人伤害感受器神经元，这些伤害感受器通过响应辣椒素显示伤害特征，表明hDRGO有效地反映了人类伤害感受子亚型的多样性和特异性（图7J）。研究人员在第30天和第60天分别进行了hDRGO的snRNA-seq分析，其中包括NCC、SNP、uSN1、uSN2、本体感受器、机械感受器、伤害感受器、SCP、SGC、纤维母细胞和内皮细胞（图7C，7E-7G）。 在整个hDRGO培养过程中，祖细胞（NCC、SNP和SCP）连续分化并形成复杂的细胞类型（图7D）。hDRGO的细胞组成和转录组与胚胎早期至中期发育阶段（GW7-GW15）表现出相似性（图7H）。 使用慢病毒载体递送靶向MEIS2、SKOR2以及FOXO1的shRNA，以分别抑制hDRGO第一波和第二波神经发生（图2F、2G），结果表明，在FOXO1敲除的类器官中NTRK1+神经元减少，而在MEIS2和SKOR2敲除的类器官中NTRK2+和NTRK3+神经元减少（图7K-M）。这些发现进一步证明MEIS2、SKOR2 和FOXO1 在uSN1和uSN2 的细胞命运决定中起关键作用，也验证了hDRGO对人胚胎DRG发育过程的模拟。 拓展延伸 ● 疾病建模 1.癌症研究：通过从肿瘤患者的样本中生成类器官，研究人员能够模拟肿瘤微环境，探索癌细胞的行为和反应机制。例如，结直肠癌类器官被广泛用于研究癌变过程、转移机制以及寻找新的治疗靶点。 2.神经系统疾病：脑类器官（如“迷你大脑”）是研究神经发育障碍（如自闭症谱系障碍）、神经退行性疾病（如亨廷顿舞蹈症）的有力工具。这些模型可以帮助科学家理解疾病的分子基础，并测试潜在的治疗方法。 3.遗传病：对于一些罕见或复杂的遗传病，可以从患者来源的诱导多能干细胞（iPSC）培养出相应的类器官，以研究基因突变如何影响器官功能。 ● 药物筛选与毒性测试 1.药物发现：制药公司利用类器官进行高通量药物筛选，快速评估大量化合物对特定器官的影响。这种方法有助于早期识别有潜力的候选药物，从而加速新药研发进程。 2.个性化医疗：针对个体患者的类器官可以用来测试不同药物的效果，预测患者对特定治疗方案的响应，实现精准用药。 3.安全性评估：相比传统的二维细胞培养和动物实验，类器官提供了更为真实的体内条件模拟，因此更适合于评估药物的安全性和可能产生的不良反应。 ● 再生医学 1.组织修复：类器官技术有望推动再生医学领域的发展，特别是对于那些难以自我修复的组织，如肝脏、肾脏等。科学家们正在探索将类器官移植到患者体内以促进组织再生的可能性。 2.器官移植：长远来看，如果能够解决免疫排斥等问题，类器官甚至有可能成为人工制造完整器官的基础，解决器官短缺问题。 ● 基础生物学研究 1.器官发育：类器官为研究器官形成过程中涉及的关键步骤提供了前所未有的视角，包括细胞分化、形态发生及器官特异性结构的建立。 2.细胞间通讯：由于类器官保留了原始组织的复杂性，它们非常适合用于研究细胞间的信号传导网络及其在健康和疾病状态下的变化。 ● 毒理学研究 化学物质暴露：类器官可用于评估各种化学物质对人体各器官系统的潜在危害，帮助制定更科学的环境保护政策和产品安全标准。 临床应用与展望 本研究所取得的技术成果将有助于推动神经科学领域向前迈进一大步。首先，通过创建高度仿真的DRG类器官模型，科学家们可以在不依赖于动物实验的情况下，更准确地模拟人类神经系统疾病的状态，从而加速新药研发进程。其次，基于此平台开展的基因编辑或CRISPR筛选实验，可以帮助识别出与特定神经退行性疾病相关的致病基因，为个性化医疗提供理论支持。最后，考虑到DRG在慢性疼痛管理中的重要作用，这项研究有望带来全新的治疗策略，比如针对特定类型的痛觉感受器设计特异性药物靶点，实现更加精准有效的镇痛效果。 注：本文旨在介绍医学研究进展，不做治疗方案推荐。如有需要，请咨询专业临床医生。 参考文献 Lu T, Wang M, Zhou W, Ni Q, Yue Y, Wang W, Shi Y, Liu Z, Li C, Hong B, Zhou X, Zhong S, Wang K, Zeng B, Zhang J, Wang W, Zhang X, Wu Q, Wang X. Decoding transcriptional identity in developing human sensory neurons and organoid modeling. Cell. 2024 Nov 4:S0092-8674(24)01205-4.  点击下方「阅读原文」，前往梅斯官网查询更多相关课程和实验技术服务支持~

引言 随着医学和生物学技术的进步，癌症治疗领域取得了诸多突破，尤其是免疫治疗的崛起，让癌症的治疗前景发生了显著变化。然而，尽管免疫治疗取得了令人鼓舞的成果，癌细胞依然能够通过复杂的机制逃避机体免疫系统的攻击，这使得癌症治疗依旧面临巨大挑战。 其中，肿瘤微环境（TME）中的免疫逃逸机制尤为关键。近年来，越来越多的研究揭示了肿瘤如何利用微环境中的各种细胞和分子来干扰免疫系统的正常功能，最具代表性的机制之一就是“免疫抑制”。研究发现，癌细胞不仅能够通过改变免疫细胞的功能来逃避免疫系统的监视，还能利用免疫抑制细胞的特性来促进自身的生长和扩散。 在众多免疫抑制机制中，炎性单核细胞（inflammatory monocytes）在癌细胞免疫逃逸中的作用逐渐引起了广泛关注。炎性单核细胞不仅在肿瘤免疫反应中扮演着重要角色，还通过与T细胞的相互作用影响肿瘤的免疫微环境。11月27日Nature报道的这项研究“Cancer cells impair monocyte-mediated T cell stimulation to evade immunity”，发现炎性单核细胞通过“交叉穿戴”（cross-dressing）机制，获取肿瘤细胞的抗原并激活T细胞，从而推动抗肿瘤免疫反应的发生。然而，肿瘤微环境中的信号通路，如MAPK和PGE2的变化，会抑制这一过程，进而削弱T细胞的活性和免疫攻击能力。 这些发现不仅为我们理解癌症的免疫逃逸提供了新的视角，也为开发更有效的免疫治疗策略指明了方向。通过调节这些免疫细胞的功能，或许能够突破肿瘤的免疫屏障，开创癌症治疗的新纪元。 肿瘤微环境：T细胞激活与再激活的战场 肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）由肿瘤细胞和各种免疫细胞共同构成，是一个动态且复杂的微生态系统。在这里，CD8+ T细胞通过初始激活和局部再激活，获得对抗肿瘤的持续能力。然而，这种再激活过程需要特定的免疫细胞参与和支持，才能有效遏制肿瘤的生长。 传统上，人们认为T细胞的再激活主要依赖1型常规树突状细胞（type 1 conventional dendritic cells, cDC1）的交叉呈递（cross-presentation）功能。然而，最新研究表明，炎性单核细胞也在T细胞的再激活中发挥着至关重要的作用。针对YUMM1.7小鼠黑色素瘤模型的实验表明，在未经靶向治疗的肿瘤中，炎性单核细胞在肿瘤微环境中的比例高达40%，而在耐药性肿瘤中则显著下降到10%左右。这种差异性表明，炎性单核细胞在维持肿瘤局部免疫反应中具有不可或缺的作用。 在肿瘤微环境中，免疫细胞间的协作决定了抗肿瘤免疫反应的强度和持续性。CD8+ T细胞需要与炎性单核细胞的直接相互作用，才能有效地重新获得杀伤肿瘤细胞的能力。研究发现，这种直接接触不仅是细胞之间的物理接触，更是一系列复杂信号传导的结果，涉及抗原呈递、共刺激信号以及局部免疫因子的调控。因此，炎性单核细胞的存在与功能状态对维持肿瘤内的免疫平衡具有关键作用。 肿瘤浸润性T细胞在不同免疫微环境（TME）中的再激活情况，重点研究了YUMM1.7OVA黑色素瘤模型中非耐药性（NTT）和耐药性（RTT）肿瘤中T细胞的免疫反应（Credit: Nature） 图a：小鼠模型的示意图通过皮下注射YUMM1.7OVA NTT或RTT细胞，建立耐药和非耐药肿瘤模型，同时通过静脉注射OT-1Luc T细胞，进行自体细胞治疗（ACT）。该模型用于观察T细胞在不同肿瘤免疫微环境中的反应。 图b：ACT反应的对比该图展示了NTT和RTT肿瘤的ACT反应。通过生物发光成像（BLI）监测96小时后的T细胞活动，NTT肿瘤中的T细胞反应显著高于RTT肿瘤，表明耐药肿瘤对T细胞的再激活能力较差。 图c：单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析利用单细胞RNA测序分析了NTT和RTT肿瘤中CD45+免疫细胞的群体分布，展示了肿瘤微环境中T细胞和其他免疫细胞的变化。NTT和RTT肿瘤的细胞群体分布在UMAP图中有所不同，表明不同TME对免疫细胞的响应有显著差异。 图d：相对细胞频率的变化基于单细胞RNA测序的分析，展示了NTT和RTT肿瘤中免疫细胞的相对频率。该数据进一步证明了耐药肿瘤中免疫细胞数量的变化。 图e：免疫荧光（IF）图像展示了NTT和RTT肿瘤48小时后通过免疫荧光染色检测到的免疫细胞的定位和分布。该图为进一步分析肿瘤中免疫反应提供了形态学证据。 图f：T细胞的相对频率与免疫细胞的距离通过免疫荧光图像分析T细胞的相对频率，并测量它们与其他免疫细胞的距离，表明NTT肿瘤中的T细胞更容易与其他免疫细胞接触和交互。 图g：Nur77-GFP OT-1 T细胞在肿瘤中的表现Nur77-GFP标记的OT-1 T细胞在NTT和RTT肿瘤中的定位情况。该图标示了在肿瘤中活化的T细胞（Nur77+）的位置，进一步揭示了不同TME对T细胞活化的影响。 图h：T细胞与肿瘤边界的关系展示了在NTT和RTT肿瘤中T细胞的定位，尤其是在肿瘤边界的分布情况。这有助于了解T细胞如何渗透到肿瘤内以及它们与肿瘤结构的关系。 图i：BLI监测T细胞的动态变化通过生物发光成像（BLI）动态监测T细胞在肿瘤中的变化，展示了不同时间点内T细胞的增殖情况和肿瘤反应的差异。 图j：流式细胞术分析T细胞状态通过流式细胞术对T细胞状态进行分析，展示了ACT后120小时内T细胞在NTT和RTT肿瘤中的变化，揭示了耐药性肿瘤对T细胞的抑制作用。 图k：效应记忆T细胞标志物的表达在单细胞RNA测序中，显示了NTT和RTT肿瘤中T细胞的效应记忆特征。这些数据表明，NTT肿瘤中T细胞具有更强的效应记忆特征，而RTT肿瘤则表现出效应记忆标志物的下调。 图l：NTT和RTT肿瘤之间T细胞的差异该图展示了通过BLI成像观察NTT和对侧耐药性肿瘤的T细胞反应。T细胞在NTT肿瘤中的增殖显著优于耐药性肿瘤，并且耐药性肿瘤的生长曲线表现出较大的抑制。 炎性单核细胞的独特作用 炎性单核细胞通过“交叉穿戴”（cross-dressing）机制，从肿瘤细胞上获取并展示肽-MHC-I复合物，以此来激活CD8+ T细胞。在NTT（未经治疗）肿瘤中，实验发现肿瘤特异性CD8+ T细胞与炎性单核细胞之间形成了多细胞聚集体。这种接触导致80%以上的T细胞上调Nur77，这是T细胞受体（TCR）活化的标志。然而，在耐药性肿瘤中，这一比例大幅下降至20%。这些数据清晰地表明，炎性单核细胞在维持T细胞活化状态中扮演了重要角色。 深入研究发现，肿瘤细胞内MAPK信号通路的过度激活是这一机制受抑的主要原因。具体来说，MAPK信号的异常激活会抑制Ⅰ型干扰素（type I interferon, IFN-I）的产生（降低70%），并增加前列腺素E2（prostaglandin E2, PGE2）的分泌（增加约2.5倍）。PGE2不仅直接抑制了炎性单核细胞的功能，还阻断了它们与T细胞之间的有效相互作用，从而显著削弱了T细胞的再激活能力。 为了更好地理解炎性单核细胞在肿瘤免疫中的作用，研究者们还分析了这些细胞在不同肿瘤发展阶段的动态行为。在肿瘤的早期阶段，炎性单核细胞通过释放趋化因子来招募其他免疫细胞，而在肿瘤的晚期，它们的功能逐渐转向直接递呈抗原并激活局部的T细胞。这种功能的动态变化使炎性单核细胞能够根据肿瘤微环境的需求做出相应调整，极大地影响了整体的免疫应答效果。恢复炎性单核细胞功能：癌症免疫治疗的新希望 针对如何恢复炎性单核细胞介导的T细胞激活过程，研究人员们展开了大量的实验研究。他们发现，通过提高IFN-I水平并阻断PGE2的产生，可以显著恢复炎性单核细胞的功能，增强肿瘤对T细胞介导的免疫攻击。在缺乏PGE2的RTT（耐药）肿瘤中，T细胞数量显著增加，增幅达到3倍，表现出更强的增殖与效应功能。此外，过表达IRF3/7基因以恢复IFN-I的产生，使得T细胞的浸润增加了约2.8倍，肿瘤体积缩小超过50%。 这种发现为癌症免疫治疗提供了新的希望和方向。通过联合应用COX抑制剂（如环氧合酶2抑制剂）和IFN-I激动剂，可以显著改善肿瘤微环境，增强T细胞的效应功能。在小鼠实验模型中，这种联合疗法使得肿瘤内CD8+ T细胞数量增加了4倍，显著抑制了肿瘤的生长。 此外，研究人员还探索了基因编辑手段对炎性单核细胞功能的增强效果。例如，通过CRISPR/Cas9技术敲除PGE2合成相关基因，成功减少了PGE2的生成，恢复了炎性单核细胞的活性。在这种干预下，小鼠肿瘤生长明显受抑，显示出该策略的巨大潜力。这一发现也为基因编辑在癌症免疫治疗中的应用奠定了基础，展示了通过调节肿瘤微环境提高免疫反应的新途径。 癌细胞通过抑制单核细胞介导的T细胞再激活来逃避免疫监视，这一发现揭示了肿瘤微环境中复杂且动态的免疫逃逸机制。通过调节IFN-I和PGE2这两个重要的信号因子，可以开发出更加有效的组合免疫疗法，使癌症治疗不仅局限于传统的放化疗和手术干预，而是通过增强机体的免疫反应实现更持久的抗肿瘤效果。 这项研究为理解癌症的免疫逃逸机制提供了新的见解，也为未来癌症免疫治疗的创新指明了方向。未来的研究可以更加集中于如何优化炎性单核细胞的功能，如何通过调节肿瘤细胞释放的信号来进一步提高T细胞的激活效率。这些发现为个性化治疗提供了新的视角，使得针对患者具体情况的治疗成为可能。 癌症免疫治疗仍然面临挑战，但通过深入研究肿瘤与免疫系统的复杂相互作用，并充分利用炎性单核细胞和T细胞的独特功能，研究人员们有望开发出更加有效且持久的抗肿瘤免疫反应，为患者带来更多的希望和机会。 参考文献 Elewaut, A., Estivill, G., Bayerl, F. et al. Cancer cells impair monocyte-mediated T cell stimulation to evade immunity. Nature (2024). https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s41586-024-08257-4 责编|探索君 排版|探索君 转载请注明来源于【生物探索】 声明：本文仅用于分享，不代表平台立场，如涉及版权等问题，请尽快联系我们，我们第一时间更正，谢谢！ End 往期精选 围观 Nature | 单细胞分析技术的革命性进展 热文 Nature | 环状RNA（circRNA）为何成为基因调控的新宠？ 热文 Cell | AI取代科研人员还有多远？ 热文 新英格兰 | 司美格鲁肽（semaglutide）又有新发现：助力关节炎治疗 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell 综述