清華大學(xué)劉萬里研究組Science Immunology發(fā)表新成果
論文報(bào)道了B細(xì)胞免疫突觸中具有時(shí)空特異性的磷脂酰肌醇4,5-二磷酸水解與再生代謝作用形成的正反饋環(huán)路(feed forward loop)，有力地促進(jìn)抗原受體(BCR)跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞活化的新機(jī)制，為相關(guān)疾病研究提供了新的理論依據(jù)。
B淋巴細(xì)胞作為抗體免疫應(yīng)答過程中的重要參與者，守衛(wèi)著人類的健康，其免疫活化是啟動體液免疫反應(yīng)的關(guān)鍵步驟。B細(xì)胞的免疫活化在其質(zhì)膜表面免疫球蛋白（BCR）識別抗原后快速啟動，具有高度的瞬時(shí)性和動態(tài)性特點(diǎn)，一直是免疫學(xué)領(lǐng)域的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)。免疫球蛋白識別抗原后寡聚化形成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)微簇體，聚集在抗原刺激極性界面，形成免疫突觸，構(gòu)成免疫活化連續(xù)性觸發(fā)平臺，負(fù)責(zé)跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及抗原攫取。在體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中，B細(xì)胞可能遇到抗原稀少，且抗原的理化性質(zhì)多樣的狀況，這需要B細(xì)胞具備高效的跨膜信號機(jī)制以及胞內(nèi)信號調(diào)控放大機(jī)制來促使免疫活化的大化。除此之外，磷脂酰肌醇4,5-二磷酸作為細(xì)胞膜上的稀有脂類，其消耗后的再生途徑，以及如何影響B(tài)細(xì)胞活化的機(jī)理尚不明確。
該論文利用基因修飾細(xì)胞系、小鼠原代B細(xì)胞、人外周血B細(xì)胞和免疫缺陷疾病相關(guān)突變體等實(shí)驗(yàn)材料結(jié)合多種脂類活細(xì)胞適用性的生物指示器和基于全內(nèi)反射、共聚焦熒光顯微鏡的高速高分辨率成像系統(tǒng)，對免疫突觸內(nèi)磷脂酰肌醇4,5-二磷酸代謝產(chǎn)物的時(shí)空分布，及其調(diào)控B淋巴細(xì)胞免疫活化的分子機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)的研究。
PIP2水解與再生代謝作用形成的正反饋環(huán)路增強(qiáng)B淋巴細(xì)胞的跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和免疫活化。圖為在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)仰視細(xì)胞質(zhì)膜視角，PIP2（綠色），DAG（藍(lán)色），PA（淡藍(lán)色），其他膜脂（灰色），DGKζ（青色），PIP5Kα（靛藍(lán)色），BCR（紅色），Lyn（粉色），Syk（橙色），Blnk（紫色），PLCγ2（黃色）。
劉萬里課題組的研究者們發(fā)現(xiàn)B細(xì)胞活化后，磷脂酰肌醇4,5-二磷酸在B細(xì)胞免疫突觸中的含量不降反升，并且表現(xiàn)出在免疫球蛋白信號微簇體內(nèi)消減而在微簇體外部增加的特點(diǎn)。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在抗原識別后，免疫球蛋白微簇體內(nèi)磷脂酶（PLCγ2）水解磷脂酰肌醇4,5-二磷酸，而在免疫球蛋白微簇體外發(fā)生磷脂酰肌醇4-酸5-激酶(PIP5K)催化的磷脂酰肌醇4,5-二磷酸再生，從而形成免疫球蛋白微簇體內(nèi)部的磷脂酰肌醇4,5-二磷酸的低密度和外部的高密度的密度勢差。接下來，研究者們探索微簇體內(nèi)磷脂酰肌醇4,5-二磷酸的密度衰減信號如何傳遞到微簇體外，進(jìn)而指導(dǎo)磷脂酰肌醇4,5-二磷酸在其外部的再生。
經(jīng)過高速高分辨率的單分子成像實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)該信號傳遞是通過一系列磷脂酰肌醇4,5-二磷酸代謝產(chǎn)物形成的正反饋環(huán)路來實(shí)現(xiàn)的：免疫球蛋白微簇體內(nèi)部磷脂酰肌醇4,5-二磷酸水解后產(chǎn)生的二酰甘油(DAG)快速擴(kuò)散至免疫球蛋白微簇體之外，被主要存在于微簇體外部的二酰甘油激酶（DGKζ）轉(zhuǎn)化為甘油磷脂酸 （PA）, 甘油磷脂酸進(jìn)一步招募和促進(jìn)磷脂酰肌醇4-酸5-激酶到微簇體外部催化磷脂酰肌醇4,5-二磷酸再生; 介導(dǎo)磷脂酰肌醇4,5-二磷酸水解和再生代謝環(huán)路的分子機(jī)器在免疫球蛋白微簇體內(nèi)外的差異性時(shí)空分布, 確保磷脂酰肌醇4,5-二磷酸在免疫球蛋白微簇體內(nèi)外的密度梯度勢差。
為了研究磷脂酰肌醇4,5-二磷酸密度勢差的生物學(xué)功能，劉萬里課題組的研究者們設(shè)計(jì)靶向定位于微簇體內(nèi)部或者外部，并且可誘導(dǎo)磷脂酰肌醇4,5-二磷酸消減或者合成的操縱系統(tǒng)。通過對其代謝的局部區(qū)域性操縱，研究者揭示了免疫球蛋白微簇體內(nèi)外的磷脂酰肌醇4,5-二磷酸密度梯度勢差對B淋巴細(xì)胞的高效性免疫活化具有重要意義。后，研究者們驗(yàn)證了該發(fā)現(xiàn)的生理意義，他們發(fā)現(xiàn)微簇體內(nèi)磷脂酶（PLCγ2）缺陷型B細(xì)胞在外源性表達(dá)來自微簇體內(nèi)磷脂酶相關(guān)免疫缺陷和功能失調(diào)疾病(PLAID)病人的微簇體內(nèi)磷脂酶突變體后，則該磷脂酰肌醇4,5-二磷酸代謝過程形成的正反饋環(huán)路在低溫下異常性亢奮，揭示這可能是導(dǎo)致罹患該疾病病人的B細(xì)胞免疫活化異常的潛在原因。綜上所述，這項(xiàng)研究成果為B淋巴細(xì)胞的免疫識別、免疫活化和免疫調(diào)節(jié)研究提供了新的研究思路，幫助人們進(jìn)一步理解免疫缺陷疾病，從而對探索相關(guān)疾病的致病機(jī)理, 以及藥物疫苗研發(fā)等工作提供新的理論依據(jù)。
劉萬里課題組一直致力于使用新型的高速高分辨率的活細(xì)胞單分子熒光成像技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的分子免疫學(xué)、生物化學(xué)和生物物理學(xué)研究手段，對B淋巴細(xì)胞的免疫活化及相關(guān)疾病的分子機(jī)制進(jìn)行研究。繼該課題組2015年在《自然•通訊》（Nature Communications）和《e生命》（elife）, 2016年在《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）和《實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)學(xué)報(bào)》(Journal of Experimental Medicine), 2017年在《e生命》（elife）和《細(xì)胞報(bào)導(dǎo)》（Cell reports）, 以及在《免疫學(xué)期刊》(The Journal of Immunology ) (2013, 2014和2017年)發(fā)表一系列論文報(bào)道淋巴細(xì)胞免疫活化的細(xì)胞生物學(xué)研究后，這一新成果是他們對該領(lǐng)域的新貢獻(xiàn)。
劉萬里研究員為本文的通訊作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生許晨光為本文的第一作者。本研究得到了中科院上海生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所許琛琦教授，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院祁海教授、化學(xué)系劉磊教授和生命學(xué)院龔海鵬教授等的大力支持。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部和青年千人計(jì)劃以及清華大學(xué)免疫學(xué)研究所的支持。
