T细胞耗竭的特征

前言

T细胞的耗竭最初是在小鼠慢性淋巴细胞性脉络膜脑膜炎病毒（LCMV）感染的背景下发现的，研究表明这些细胞存在功能失调。效应T细胞如何发生功能失调的过程多年来一直是人们研究的热点。得益于研究技术领域的进步，现在已知耗竭的T细胞包括不同于效应或记忆T细胞的特定谱系的不同免疫细胞类型，并在癌症、自身免疫和慢性感染中发挥核心作用。

从最简单的意义上讲，T细胞耗竭是指T细胞的功能失调状态，其特征是对感染细胞或肿瘤的反应能力受损。在慢性感染状态下，入侵病原体的持续存在会导致抗原刺激延长，导致T细胞功能障碍。在肿瘤环境中，T细胞由于慢性抗原暴露而耗竭，导致效应器功能降低。因此，CD8+细胞可以渗透到肿瘤微环境（TME）中，但随后无法产生有效的抗肿瘤反应，从而使肿瘤继续生长。T细胞的耗竭状态是由一个独特的转录程序驱动的，该程序产生特定的表型状态，使耗竭T细胞具有独特的特征，包括不同的转录因子活性、抑制性受体的表达、效应器功能、代谢状态和表观遗传学状态。

耗竭T细胞的转录组学特征

耗竭T细胞具有与记忆或效应CD8+T细胞不同的转录谱，不仅在转录因子（TF）的差异表达方面，而且表达的转录因子反过来调节潜在的基因调控网络。使用转录因子表达谱是定义耗竭状态的常用方法，包括TOX、NR4A、T-bet、EOMES、NFAT和其他NFAT驱动和TCR响应的转录因子（如IRF4和BATF）。

T细胞表达四种NFAT蛋白中的三种：NFAT1、NFAT2和NFAT4，NFAT转录因子的功能取决于T细胞的分化状态。在激活的环境中，NFAT蛋白与激活蛋白1（AP1）转录因子协同工作，形成异二聚体，促进许多细胞因子基因的反式激活。在慢性感染的情况下，NFAT和AP-1的表达平衡向高NFAT表达转变，导致NFAT同源二聚体的形成。NFAT同源二聚体与许多编码抑制性受体的基因启动子区结合，如PDCD1、LAG-3和HAVCR2。除NFAT外，其他转录因子，如IRF4、BATF和NR4A1，在TCR信号传导下游发挥作用，也有助于耗竭状态的形成。

与耗竭细胞相比，转录因子如T-bet和EOMES在效应细胞和记忆细胞中具有非常不同的作用。T-bet驱动效应细胞中IFN-γ等效应分子的表达，而EOMES对记忆形成很重要。在慢性感染中，病毒特异性CD8+T细胞中T-bet的表达减少，其减少水平与T细胞效应功能障碍的程度相关。另一方面，EOMES的表达在慢性感染期间耗竭的CD8+T细胞中上调。

另一个在T细胞耗竭中起关键作用的转录因子是TCF-1，由TCF7编码。TCF-1与记忆性CD8+细胞的产生和维持有关。在慢性感染早期，TCF-1介导效应T细胞与耗竭CD8+T细胞谱系的分离。此外，在耗竭细胞中，TCF7还可能协调涉及EOMES、c-Myb和Bcl-2的转录网络，这些转录网络已知可以增强耗竭和持久性。

胸腺细胞选择相关HMG-Box（TOX）转录因子是与耗竭有关的最新发现的转录因子之一。研究表明，TOX可能是驱动耗竭表型的主要调节因子，其特征是在慢性感染或肿瘤环境中，抑制性受体上调、细胞因子产生减少和表观遗传学重塑。此外，TOX促进通常与耗竭相关的基因的表达，包括抑制性受体如PD-1、TIM-3和LAG-3以及转录因子EOMES、TCF-1和CD38的表达。

抑制性受体的持续表达

包括PD-1、CTLA-4和TIM-3等在内的抑制性受体是T细胞耗竭的关键定义之一。PD-1是耗竭研究最多的分子，正常情况下的T细胞中，PD-1的表达随着TCR刺激而增加。然而，在耗竭的情况下，存在组成性的PD-1表达，抑制CD8+T细胞功能。除了PD-1，在病毒的慢性感染中，动物和人类的抗原特异性CD8+T细胞都会共同表达其他抑制性受体，包括LAG-3、CD244（2B4）、CD160、TIM-3和CTLA-4，感染的严重程度与每个细胞表达的不同抑制性受体的水平和数量相关。

抑制性受体在耗竭T细胞中的功能尚不清楚。这些受体不仅存在于耗竭的细胞上，在典型的T细胞激活过程中，各种受体也发挥着不同的生理作用。在急性T细胞激活的模型中，包括PD-1和CTLA-4在内的抑制性受体被上调，以抵消通过TCR和共刺激受体的刺激，防止过度反应。PD-1在LCMV感染的小鼠中形成耗竭并不是必需的，但它的缺失会产生更严重的耗竭。这表明即使在耗竭的细胞中，PD-1可能仍在发挥其防止细胞过度刺激的典型作用。或者，抑制性受体的表达只能反映潜在的转录和表观遗传学变化，而没有耗竭的特异性功能。最终，抑制性受体在耗竭T细胞中的作用显然需要更多的研究，以确定耗竭细胞上表达的抑制性受体是功能性的还是仅仅是潜在转录变化的副产物。

效应器功能丧失

早期的研究主要将耗竭细胞定义为细胞无法产生效应分子。然而事实上，耗竭的T细胞不应被视为缺乏效应器功能的细胞，它们可以产生炎性细胞因子和颗粒酶，对维持对慢性感染和肿瘤的控制很重要。耗竭细胞具有异质性，最新的数据表明耗竭T细胞是一个发育连续体，这些亚群包括：（1）TEX^prog1，它是静止的淋巴组织驻留的非增殖祖细胞，具有高TCF-1表达，正在缓慢分裂并具有良好的持久性；（2） TEX^prog2是TCF1+，具有良好持久性的高度增殖、活化的祖细胞；（3） TEX^int包括具有一些效应活性和迁移能力但没有TCF-1表达的中间群体以及（4）更具细胞毒性但不再循环的终末群体TEX^term。

很明显，表达PD-1的前体耗竭细胞具有降低的效应分子表达，但中间群体（TCF-1−/T-bet^high）下调PD-1的表达，这与它们重新获得增殖和产生效应分子的能力相吻合。TCF-1的表达促进了一系列关键效应器功能相关转录调节因子的表达，包括Foxo1、Zeb2、Id3和EOMES。此外，耗竭的CD8+T细胞对IL-7和IL-15等稳态细胞因子的反应也较差。

代谢活性改变

在耗竭的过程中，T细胞会改变其代谢活性。在早期阶段，糖酵解被下调，这归因于抑制性受体的表达。已知PD-1的胞质尾部含有免疫酪氨酸抑制基序和免疫酪氨酸开关基序，募集磷酸酶SHP-2，其拮抗TCR的信号转导。其可以影响PI3K/AKT/mTORC1信号轴，通过下调Glut1表达来阻断葡萄糖摄取，并通过抑制关键糖酵解酶己糖激酶2的表达来阻断糖酵解。

在没有糖酵解的情况下，有人提出耗竭的T细胞依赖脂肪酸氧化。耗竭的肿瘤浸润性T细胞也有线粒体质量和功能的显著丧失，这主要是由PPARγ共激活剂1α（PGC1α）的缺失引起的，PGC1α负责线粒体的生物发生。总的来说，耗竭T细胞的代谢变化尚未得到详尽的表征。目前，已知的变化还不能用来定义耗竭，很可能这些变化完全是继发于抑制性受体的持续表达。

耗竭T细胞的表观遗传学状态

对小鼠慢性感染和肿瘤模型的研究表明，表观遗传重组是耗竭分化程序的关键部分。正是耗竭的细胞携带的广泛的表观遗传学变化使它们即使在抗原被消除后也无法获得功能潜力。TOX在这种重编程中发挥着关键作用，TOX的去除通过募集各种染色质重塑蛋白，增加了LCMV特异性T细胞中效应相关基因的染色质可及性。特别是Dnmt3a对效应基因的从头DNA甲基化被认为是耗竭的调节因子，Tcf7、Ifn和Myc基因座的新DNA甲基化与耗竭细胞的分化有关：Dnmt3a的缺失导致细胞功能障碍减少和增殖增强。

理解耗竭T细胞的表观遗传学可塑性具有很大的治疗意义，因为耗竭T细胞独特的表观遗传重编程可能会通过免疫检查点阻断对T细胞的重新激活形成障碍。在PD-1阻断之前，在耗竭细胞中抑制DNA甲基化或使用DNA去甲基化剂促进了耗竭细胞的重新活化。尽管免疫检查点阻断本身可能无法克服耗竭T细胞的表观遗传学屏障，但靶向染色质重塑可以改善检查点阻断的治疗结果。此外，TME的缺氧环境进一步导致基因表达受损。因此，恢复氧气供应或改善共刺激可能是帮助耗竭细胞恢复活力的替代方法。

参考文献：

1.The current state and future of T-cell exhaustion research. Oxf Open Immunol. 2023 Jul 8;4(1):iqad006