PD-1 表观遗传调控改善T细胞耗竭的新发现

PD-1 表观遗传调控改善T细胞耗竭的新发现

 

在癌症和慢性病毒感染的领域，PD-1（程序性死亡蛋白1）的表达调控一直是研究的热点。PD-1是一种重要的免疫抑制分子，其在CD8+ T细胞上的高表达与T细胞的耗竭状态密切相关。尽管PD-1阻断疗法在肿瘤治疗中展现出显著疗效，但完全失去PD-1功能（如通过基因敲除）带来的效果较为复杂，既可能促进T细胞增殖，也会引发更高的细胞死亡率和较差的记忆T细胞形成。在T细胞耗竭中驱动 PD-1 高表达的机制尚不清楚，对于理清其有益或有害的影响至关重要。近期，由Debattama R. Sen教授及其团队发表在《Nature immunology》上的研究“Epigenetic tuning of PD-1 expression improves exhausted T cell function and viral control”为我们提供了新的视角。

 

 

1.构建EnhDel 小鼠模型

作者利用CRISPR-Cas9 基因编辑删除了Pdcd1基因上游的1.2 kb 的 OCR，创建了一个 EnhDel小鼠模型。在未感染情况下 EnhDel 小鼠与同窝野生型（WT）对照进行比较，包括CD+8在内的多种免疫细胞频率相当（图1C）。CD8 +T 细胞的 PD-1表达在WT和EnhDel模型中相比也无差异，但Treg和 γδ T  细胞中PD-1表达在EnhDel模型中显著降低，表明增强子可能特异性地维持这些细胞的PD-1的表达。

在体外，急性刺激实验中EnhDel 细胞的PD-1表达与WT 细胞相似，且细胞增殖能力也无差异（图1f）。但在慢性LCMV Clone 13感染中， EnhDel 细胞的 PD-1的表达在感染晚期与WT 细胞相比显著降低（图1h、j）。表明增强子缺失可降低慢性感染中耗竭 T 细胞中的 PD-1 表达，在其他 T 细胞活化情况下表达不变。

 

图一 在慢性感染期间，耗竭相关的 Pdcd1 增强子特异性降低 CD8 T 细胞中的 PD-1 表达

2. 增强子缺失对CD8+ T的影响：扩增 CD8 + T 细胞，促进增殖和存活，不产生新的耗竭。

    在慢性感染的第 28-30天， CD8+ T 细胞在EnhDel中明显多于WT，且这种情况持续到第50天之后，但在急性感染中未观察到。作者还进行了增强子缺失对亚群形成的影响研究，增强子缺失导致 PD-1表达在各个亚群中减少，并影响了亚群的分布（图2e）。前期，EnhDel 细胞偏向于Prog. 亚群 和Term亚群，而在第30天时仅有Term亚群EnhDel 细胞中富集。

 

图2增强子缺失增加耗竭的 CD8 T 细胞数量并调节亚群分布

作者还通过BrdU 和Annexin V实验对增强子缺失对T细胞增殖和凋亡两个过程的影响进行了研究。实验发现增强子缺失对增殖和细胞死亡的影响因亚群和时间点而异，在早期时间点（第7天和第15天）EnhDel细胞比WT细胞增殖更多，细胞凋亡显著降低。这种现象在不同亚群内表现不同，Prog.细胞在早期增殖更快，而Term细胞在晚期凋亡减少。相关数据表明耗竭相关的完整的PD-1增强子能抑制Prog细胞的早期增殖，促进Term细胞的晚期细胞死亡。

单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和ATAC-seq分析表明，三种基因型的耗竭细胞亚型分布有所不同，增强子缺失和 Pdcd1-KO 都不会从根本上改变耗竭 T 细胞亚群的形成，并且两个分析的亚群的染色质可及性谱在基因型之间非常相似（图4）。

图 3：增强子缺失增加了耗竭 CD8 T 细胞的早期增殖和晚期存活率

 

图 4：PD-1 表达的遗传扰动不会产生新的耗竭性 CD8 T 细胞亚群

3.增强子缺失诱导的特殊的效应功能

     通过主成分分析（PCA）和基因集富集分析（GSEA）将EnhDel细胞与野生型和Pdcd1 KO T细胞区分开来，并明确了EnhDel 富集的基因集，EnhDel细胞显著富集效应状态和氧化磷酸化基因，而凋亡基因减少（图5e-f）。EnhDel细胞在Prog.和Term.亚群中的IFNγ表达水平介于WT和Pdcd1-KO之间（图6d），GZMB在Eff.-like和Term.亚群中高于Pdcd1-KO（图6e），而TNF 产生无显著差异。EnhDel细胞还表现出较低的TOX和较高的KLRG1表达（图6f-g），并减少了凋亡（图6h）。EnhDel的出现似乎在完全PD-1缺失和野生型表达的极端之间取得了平衡，突显了量身定制干预措施优化T细胞功能的潜力。

该团队还研究了增强子缺失对疾病进展和宿主健康的影响，在小鼠模型中，EnhDel细胞转移减少了体重损失（图7b）并提高了生存率（图7c），在感染早期降低了病毒滴度和炎症因子水平（图7d-f），慢性阶段也显著增强了病毒控制（图7g-h）。相比Pdcd1-KO，EnhDel细胞在改善抗病毒效果的同时，避免了宿主损伤。与可能导致免疫病理学的完全PD-1缺失不同，EnhDel细胞维持病毒控制而不会引起致命的病理反应。

 

图5:增强子缺失促进了不同于WT和Pdcd1-KO T细胞的效应转录状态

图 6：与 Pdcd1-KO 和 WT 细胞相比，增强子缺失会产生中间和独特的功能特性。

 

图 7： 增强子缺失改善了病毒控制，同时限制了宿主损伤

研究发现，这种特定的增强子缺失可降低慢性感染中耗竭 T 细胞中的 PD-1 表达，增强了CD8+ T细胞的持久性，并改善对病毒的控制。然而，与完全敲除PD-1基因不同，这种增强子缺失并未引发免疫病理损伤。该研究表明，通过操控特定的增强子可以适度调控PD-1的表达，改善慢性感染中CD8+ T细胞的功能，同时避免了过度的免疫病理学问题。通过精细调控PD-1的表达，研究者们实现了在不增加自身免疫风险的情况下，增强了T细胞对慢性感染的控制能力。

这一发现不仅为理解PD-1在T细胞功能中的作用提供了新的分子机制，也为癌症和病毒感染的治疗提供了新的思路。通过表观遗传编辑技术，我们或许能够找到一种“最佳点”，在不影响免疫系统正常功能的前提下，优化PD-1的表达水平，从而提高T细胞的抗肿瘤和抗病毒能力。这项研究的重要性在于，它不仅增进了我们对PD-1调控机制的理解，还为未来的免疫治疗提供了新的方向。通过精准调控PD-1的表达，我们有望开发出更为安全有效的治疗策略，以应对癌症和慢性病毒感染的挑战。随着研究的深入，我们期待能够看到更多基于这一机制的临床应用，为患者带来新的希望。