Nature重磅：上皮IFNγ信号传导和区隔化抗原呈递协调肠道免疫

背景

炎症性肠病 (IBDs)影响着全球超过500万人，并构成了一个重大的不断扩大的健康问题。随着IBD的发展，发生结直肠癌 (CRC)的风险也增加了四倍，CRC是成人癌症相关死亡的主要原因。肠上皮细胞 (IECs)位于微生物群和粘膜免疫系统的界面，IECs功能障碍与IBD和CRC的发展有关。然而，IECs调节致病性CD4 T细胞反应和预防IBD和CRC的机制仍然知之甚少。

简介

2023年11月22日，来自美国芝加哥大学的Ankit Malik及其团队在Nature (IF: 42.778)杂志上发表名为Epithelial IFNγ signalling and compartmentalized antigen presentation orchestrate gut immunity的研究[1]。

主要结果    

上皮IFNγ信号在结肠炎中具有保护作用

为了确定感染性结肠炎期间上皮IFNγ信号是否在IECs中被调节，我们用啮齿柠檬酸杆菌感染野生型 (WT) C57BL/6J小鼠，这是一种急性结肠炎的生理学相关小鼠模型，反映了人类感染肠致病性和肠出血性大肠杆菌。感染后第6天，结肠内IFNγ转录量增加，第12天达到峰值，并在第21天恢复到基线水平，反映了鼠尾梭菌的定居动力学。STAT1 (pTyr701)的激活和IECs中IRF1表达的增加与IFNγ表达的动力学相关，在第12天达到峰值。为了评估上皮IFNγ信号在结肠炎中的作用，我们制造了IECs特异性IFNγ r1缺陷小鼠和经口感染的同窝Ifngrfl/fl和Ifngrfl/flVilCre (简称IfngrΔIEC)小鼠。在感染早期 (第6天)，IECs中IFNγ信号的缺失并不影响病原体定植或结肠长度 (图1a，b)。然而，在第12天，即该模型急性结肠炎的高峰期，IfngrΔIEC小鼠的结肠炎明显更严重，通过结肠变短 (图1b)和上皮中嗜中性粒细胞浸润增加 (图1c)来评估。此外，组织学分析显示，IfngrΔIEC小鼠结肠中单核和多形核 (PMN)细胞浸润和杯状细胞发育不良增加 (图1d)。在第21天，两组的啮齿动物感染被清除到检测不到的水平。然而，在第21天，IfngrΔIEC小鼠的结肠组织学更差，表明IfngrΔIEC小鼠的炎症消退延迟 (图1d)。在IFNγ R缺乏的IECs中，STAT1的激活 (图1e)和IRF1的上调 (图1f)在很大程度上不存在，这表明IFNγ是结肠炎期间IECs中STAT1 IRF1级联的主要驱动因素。   

图1. 上皮感知IFNγ通过上调IRF1保护结肠炎

巨噬细胞抗原呈递促进结肠炎T细胞

IL-1β可诱导CD4+ T细胞产生GM-CSF，而具有生物活性的IL-1β的分泌依赖于炎性体的活化。IL-1α是另一种IL-1R配体，在细胞焦亡过程中释放出来，无论是否被caspase-1加工，都能保持生物活性。然而，体内调节致病性CD4+ GM-CSF+ T细胞反应发展的检查点和细胞回路仍然知之甚少。我们首先分析了啮齿鼠感染IfngrΔIEC小鼠结肠中IL-1β的分泌和炎性体的激活，发现IfngrΔIEC小鼠在第12天的结肠外植体分泌IL-1β (和GM-CSF)，结肠裂解物中裂解的caspase-1与窝鼠对照组相比增加。由于细胞外三磷酸腺苷 (ATP)是一种损伤相关的分子模式，也是NLRP3炎性体的一种有效诱导性物质，我们分析了结肠外植体分泌的ATP，发现在感染期间ATP分泌增加，并且在Ifngr ΔIEC小鼠中，在第12 p.i天ATP分泌明显增加 (图3a)。为了直接测试ATP NLRP3 IL-1β轴是否驱动C. rodentium感染的IfngrΔIEC小鼠的严重结肠炎，我们评估了该轴在诱导结肠炎GM-CSF反应中的充分性和需要性。αβ-ATP是一种不可水解形式的ATP，不能被细胞用作能量来源，但可以激活P2X7受体。在C. rodentium感染期间，Ifngrfl/fl对照小鼠给予αβ-ATP足以增加结肠中caspase-1的裂解、IL-1β和IL-1α的分泌以及GM-CSF的产生 (图3b-d)，这与结肠炎的增加有关 (图3e，f)。相反，当IfngrΔIEC小鼠在第7天开始使用外源性ATP酶 (apyrase)、临床剂量的特异性NLRP3抑制剂MCC950或IL-1R拮抗剂治疗时，观察到保护作用，而不影响结肠中的啮齿动物负担 (图3b-f)。巨噬细胞是炎症小体相关IL-1β反应的重要来源，因为通过CSF-1R阻断消耗巨噬细胞可显著降低IfngrΔIEC结肠外植体中IL-1β和GM-CSF的分泌量，同时CD4+ IE-T细胞数量减少，GM-CSF的产生和结肠缩短。    

图3. 上皮细胞感知IFNγ促进IE-T细胞中eATPase的表达，从而抑制结肠炎NLRP3炎症小体

上皮细胞IFNγ信号通路在结肠癌中具有保护作用

IBD增加了患结直肠癌的风险。为了评估上皮抗原呈递途径是否与结直肠癌相关，我们将IEC特异性IFNγR缺陷小鼠置于DNA损伤剂偶氮氧甲烷 (AOM)中，然后循环口服DSS (图5a)。Ifngr1 IEC特异性缺失小鼠的肿瘤计数与同窝对照相比显著增加 (图5b，c)。由于Ifngrfl/fl和IfngrΔIEC小鼠的大多数肿瘤都局限于结肠的远端 (图5c)，这是AOM-DSS模型的一个特征，我们分别分析了AOM-DSS治疗后近端和远端结肠的免疫反应。IfngrΔIEC小鼠的远端结肠中，中性粒细胞数量增加 (图5d)，CD8αβ+ IE-T细胞产生的CD39减少 (图5e)，这与远端结肠外植体的ATP分泌增加 (图5f)和CD4+ IE-T细胞产生的GM-CSF增加 (图5g)相关。为了测试上皮MHCI在结直肠癌发病机制中的个体贡献，我们用AOM-DSS治疗IEC特异性β2m缺陷小鼠。与同窝对照小鼠相比，B2miΔIEC小鼠的远端结肠中肿瘤和中性粒细胞数量增加 (图5h-j)，但与IfngrΔIEC小鼠相比达到中等程度 (图5c-g)。此外，上皮MHCI缺失导致CD8αβ+ IE-T细胞中CD39的上调较低 (图5j)，并增加CD4+ IE-T细胞的GM-CSF生成 (图5k)。    

图5. 干扰素γ-介导的抗原呈递限制结肠癌

结论及展望

所有的有核细胞都表达主要组织相容性复合体I和干扰素γ (IFNγ)受体1，但通过主要组织相容性复合体I的IFNγ信号传导或抗原呈递的上皮细胞特异性功能尚未探索。我们的研究表明，当结肠上皮细胞感知到IFNγ时，可以高效地呈递病原体和自身来源的抗原，以同源的上皮内T细胞，这些T细胞位于上皮屏障的关键位置。上皮细胞的抗原呈递赋予同源上皮内T细胞胞外ATP酶表达，这限制了组织巨噬细胞胞外三磷酸腺苷的积累和随之而来的NLRP3炎性小体的活化。相反，组织巨噬细胞的抗原呈递，以及与炎性小体相关的白细胞介素-1α和白细胞介素-1β的产生，可在体内促进CD4+ T细胞向产生粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子 (GM-CSF)的T细胞的致病性转化，从而促进结肠炎和结直肠癌的发生。综上所述，我们的研究揭示了在体内控制致病性CD4+T细胞应答发展的上皮细胞需要IFNγ传感和抗原呈递的关键检查点。   

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06721-1

参考文献

1. Malik Ankit,Sharma Deepika,Aguirre-Gamboa Raúl et al. Epithelial IFNγ signalling and compartmentalized antigen presentation orchestrate gut immunity.[J] .Nature, 2023, undefined: undefined.    

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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