Nature最新研究成果：內(nèi)源性肽維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)的免疫豁免機制
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圣路易斯華盛頓大學腦免疫與神經(jīng)膠質(zhì)中心的Jonathan Kipnis等人，在10月30號發(fā)表“Endogenous self-peptides guard immune privilege of the central nervous system”的論文，該研究發(fā)現(xiàn)了一系列中樞神經(jīng)系統(tǒng)衍生的內(nèi)源性自身多肽，這些肽與CNS邊緣的MHC-II分子結(jié)合。
此外，作者發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)炎性疾病中，自身多肽的表達減少。在增強這些自身多肽的表達后，抑制性CD4+T細胞的數(shù)量顯著增加，通過CTLA-4和TGFβ免疫分子來抑制CNS自身免疫。因此，這些多肽應該是CNS與外周免疫系統(tǒng)保持信息交流的關鍵分子。人們普遍認為，大腦將自身與外周免疫系統(tǒng)隔離開來，而作者的發(fā)現(xiàn)，為神經(jīng)炎癥和神經(jīng)退行性疾病的治療提供了新的思路。本研究中質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析使用PEAKS® Studio完成。
CNS的自生MHC II免疫肽組分析
作者首先通過質(zhì)譜法對C57BL/6J雄鼠的CNS不同組織中富集的MHC II類多肽進行全面鑒定（圖1a），發(fā)現(xiàn)CD11b+ CD11c-巨噬細胞是腦膜和硬腦膜組織中主要表達MHC II的抗原呈遞細胞（APCs），而CD19+B細胞是頸深淋巴結(jié)（dCLNs）和頸淺淋巴結(jié)（sCLNs）中的主要APCs。此外，利用三種獨立的模型對MHC II結(jié)合親和力的算法預測[1-3]發(fā)現(xiàn)，大腦內(nèi)部的 MHC II分子的結(jié)合親和力相對較弱，然而，在淋巴引流的下游，結(jié)合親和力增加，這表明不同區(qū)室中的MHC II分子與免疫多肽的結(jié)合存在異質(zhì)性。
然后，作者通過已發(fā)表的哺乳動物腦轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)區(qū)分來鑒別CNS中表達較多的蛋白質(zhì)的衍生肽段。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腦中腦膜、硬腦膜、dCLNs和sCLNs的MHC II多肽分別占比18.0%、12.7%、2.5%和0.5%的MHC II結(jié)合肽（圖1b）。其中，前三種組織中的MHC II肽大部分源自髓鞘堿性蛋白（MBP），但sCLNs中未匹配到該蛋白（圖1c）。通過不同組織間的免疫肽比較發(fā)現(xiàn)，dCLNs是體內(nèi)平衡過程中腦部淋巴引流的主要途徑（圖1d）。此外，對在大腦、硬腦膜和dCLNs中發(fā)現(xiàn)的MBP肽的氨基酸序列進行比對，發(fā)現(xiàn)大部分多肽均出現(xiàn)在MBP158-195和MBP196-236兩個區(qū)域（圖1e），且絕大多數(shù)MHC II結(jié)合的MBP多肽分布在MBP158-195區(qū)間。
然后作者又對C57BL/6J雌鼠和SJL/J雄鼠中重復上述實驗，結(jié)果表明C57BL/6J的雌鼠和雄鼠間均鑒定到相當數(shù)量的CNS特異性免疫肽。SJL/J雄鼠中的MHC II肽在腦內(nèi)的結(jié)合親和力相對較弱，而在引流淋巴結(jié)中的親和力較強，且在大腦和硬腦膜組織中也鑒定到相同的MBP158-195和MBP196-236區(qū)域?qū)亩嚯�。因此上述實驗充分表明了MBP衍生肽在CNS MHC II分子上的保守性。
圖1 小鼠腦組織MHC II多肽鑒定
MBP多肽抑制免疫反應
圖2 MBP多肽免疫抑制機制MBP多肽的治療效果
圖3 MBP多肽胞外囊泡治療效果評估小結(jié)
聯(lián)系方式：021-60919891；sales-china@bioinfor.com
圣路易斯華盛頓大學腦免疫與神經(jīng)膠質(zhì)中心的Jonathan Kipnis等人，在10月30號發(fā)表“Endogenous self-peptides guard immune privilege of the central nervous system”的論文，該研究發(fā)現(xiàn)了一系列中樞神經(jīng)系統(tǒng)衍生的內(nèi)源性自身多肽，這些肽與CNS邊緣的MHC-II分子結(jié)合。
此外，作者發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)炎性疾病中，自身多肽的表達減少。在增強這些自身多肽的表達后，抑制性CD4+T細胞的數(shù)量顯著增加，通過CTLA-4和TGFβ免疫分子來抑制CNS自身免疫。因此，這些多肽應該是CNS與外周免疫系統(tǒng)保持信息交流的關鍵分子。人們普遍認為，大腦將自身與外周免疫系統(tǒng)隔離開來，而作者的發(fā)現(xiàn)，為神經(jīng)炎癥和神經(jīng)退行性疾病的治療提供了新的思路。本研究中質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析使用PEAKS® Studio完成。
CNS的自生MHC II免疫肽組分析
作者首先通過質(zhì)譜法對C57BL/6J雄鼠的CNS不同組織中富集的MHC II類多肽進行全面鑒定（圖1a），發(fā)現(xiàn)CD11b+ CD11c-巨噬細胞是腦膜和硬腦膜組織中主要表達MHC II的抗原呈遞細胞（APCs），而CD19+B細胞是頸深淋巴結(jié)（dCLNs）和頸淺淋巴結(jié)（sCLNs）中的主要APCs。此外，利用三種獨立的模型對MHC II結(jié)合親和力的算法預測[1-3]發(fā)現(xiàn)，大腦內(nèi)部的 MHC II分子的結(jié)合親和力相對較弱，然而，在淋巴引流的下游，結(jié)合親和力增加，這表明不同區(qū)室中的MHC II分子與免疫多肽的結(jié)合存在異質(zhì)性。
然后，作者通過已發(fā)表的哺乳動物腦轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)區(qū)分來鑒別CNS中表達較多的蛋白質(zhì)的衍生肽段。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腦中腦膜、硬腦膜、dCLNs和sCLNs的MHC II多肽分別占比18.0%、12.7%、2.5%和0.5%的MHC II結(jié)合肽（圖1b）。其中，前三種組織中的MHC II肽大部分源自髓鞘堿性蛋白（MBP），但sCLNs中未匹配到該蛋白（圖1c）。通過不同組織間的免疫肽比較發(fā)現(xiàn)，dCLNs是體內(nèi)平衡過程中腦部淋巴引流的主要途徑（圖1d）。此外，對在大腦、硬腦膜和dCLNs中發(fā)現(xiàn)的MBP肽的氨基酸序列進行比對，發(fā)現(xiàn)大部分多肽均出現(xiàn)在MBP158-195和MBP196-236兩個區(qū)域（圖1e），且絕大多數(shù)MHC II結(jié)合的MBP多肽分布在MBP158-195區(qū)間。
然后作者又對C57BL/6J雌鼠和SJL/J雄鼠中重復上述實驗，結(jié)果表明C57BL/6J的雌鼠和雄鼠間均鑒定到相當數(shù)量的CNS特異性免疫肽。SJL/J雄鼠中的MHC II肽在腦內(nèi)的結(jié)合親和力相對較弱，而在引流淋巴結(jié)中的親和力較強，且在大腦和硬腦膜組織中也鑒定到相同的MBP158-195和MBP196-236區(qū)域?qū)亩嚯�。因此上述實驗充分表明了MBP衍生肽在CNS MHC II分子上的保守性。
圖1 小鼠腦組織MHC II多肽鑒定
MBP多肽抑制免疫反應
為了進一步篩選MBP衍生的多肽，作者分別使用MOG35-55（髓鞘少突膠質(zhì)細胞糖蛋白）和MBP160-175的多肽免疫C57BL/6J小鼠，結(jié)果正如預期，即MBP160-175免疫的小鼠對自身免疫性腦脊髓炎（EAE）表現(xiàn)出抵抗力（圖2a）。與被MOG35-55免疫的小鼠相比，MBP160-175免疫的小鼠的引流淋巴結(jié)中細胞數(shù)量明顯減少，且再ELISpot實驗中，MBP160-175對IL-2也未發(fā)現(xiàn)明顯的效應T細胞反應（圖2b-c)。基于以上結(jié)果，作者進一步探索MBP158-195區(qū)域內(nèi)的多肽是否有助于產(chǎn)生更多的抑制性T細胞，從而抑制免疫反應。用MOG35-55肽和內(nèi)源性MBP肽共同免疫小鼠，結(jié)果顯示MOG35-55+MBP160-175聯(lián)合免疫可顯著減輕EAE癥狀（圖2d）。然后將MBP160-175序列中的精氨酸殘基轉(zhuǎn)化為瓜氨酸，再次于MOG35-55共同免疫小鼠時，不再具有抑制作用，這表明MBP160-175具有獨特的神經(jīng)炎癥免疫調(diào)節(jié)功能（圖2d）。
接下來作者重點研究了MBP160-175的潛在免疫抑制機制，分別從MOG35-55和MOG35-55+ MBP160-175免疫后的小鼠腹溝引流淋巴結(jié)（iLNs）中分離出163個T細胞，然后進行10X Genomics單細胞RNA測序（scRNA-seq），結(jié)果差異基因表達可分辨出CD4+和CD8+T細胞的15個不同的細胞簇（圖2e）。其中，調(diào)節(jié)性Foxp3+CD4+ T細胞和活化的Cxcr3+Ccl5+CD8+T細胞表現(xiàn)出明顯差異，這兩種細胞在自身免疫性疾病中發(fā)揮重要作用。當MOG35-55 + MBP160-175聯(lián)合免疫時，調(diào)節(jié)性Foxp3+CD4+ T細胞顯著增加，而Cxcr3+Ccl5+CD8+T細胞群明顯衰減（圖2f），表明MOG35-55 + MBP160-175的上游調(diào)控，如T細胞活化和增殖的負調(diào)控以及促進抑制性細胞因子（IL-10和TGF-β）的產(chǎn)生（圖2g-i）。MBP160-175免疫小鼠的脊髓中CD39表達顯著增加，這表明其通過消耗細胞外的ATP來增強抗炎活性（圖2j,k）[4]，并且在疾病消退期間持續(xù)存在。
然后作者合成了MBP特異的MHC II聚合物，通過雜交瘤接種C57BL/6J小鼠，成功地鑒定了位于dCLNs內(nèi)的MBP特異性CD4+T細胞，sCLNs和iLNs中未鑒定到（圖2l）。因為CTLA-4和TGFβ具有良好的免疫抑制作用[5,6]，作者又測試了它們與MBP共同免疫時，對EAE的抑制效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CTLA-4或TGFβ的中和抗體削弱了MBP對 CNS自身免疫反應的抑制能力（圖2m，n）。
接下來作者重點研究了MBP160-175的潛在免疫抑制機制，分別從MOG35-55和MOG35-55+ MBP160-175免疫后的小鼠腹溝引流淋巴結(jié)（iLNs）中分離出163個T細胞，然后進行10X Genomics單細胞RNA測序（scRNA-seq），結(jié)果差異基因表達可分辨出CD4+和CD8+T細胞的15個不同的細胞簇（圖2e）。其中，調(diào)節(jié)性Foxp3+CD4+ T細胞和活化的Cxcr3+Ccl5+CD8+T細胞表現(xiàn)出明顯差異，這兩種細胞在自身免疫性疾病中發(fā)揮重要作用。當MOG35-55 + MBP160-175聯(lián)合免疫時，調(diào)節(jié)性Foxp3+CD4+ T細胞顯著增加，而Cxcr3+Ccl5+CD8+T細胞群明顯衰減（圖2f），表明MOG35-55 + MBP160-175的上游調(diào)控，如T細胞活化和增殖的負調(diào)控以及促進抑制性細胞因子（IL-10和TGF-β）的產(chǎn)生（圖2g-i）。MBP160-175免疫小鼠的脊髓中CD39表達顯著增加，這表明其通過消耗細胞外的ATP來增強抗炎活性（圖2j,k）[4]，并且在疾病消退期間持續(xù)存在。
然后作者合成了MBP特異的MHC II聚合物，通過雜交瘤接種C57BL/6J小鼠，成功地鑒定了位于dCLNs內(nèi)的MBP特異性CD4+T細胞，sCLNs和iLNs中未鑒定到（圖2l）。因為CTLA-4和TGFβ具有良好的免疫抑制作用[5,6]，作者又測試了它們與MBP共同免疫時，對EAE的抑制效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CTLA-4或TGFβ的中和抗體削弱了MBP對 CNS自身免疫反應的抑制能力（圖2m，n）。
圖2 MBP多肽免疫抑制機制MBP多肽的治療效果
為了評估在神經(jīng)炎癥期間MBP肽的表達是否會發(fā)生變化，作者在EAE發(fā)病高峰期（第16天）采集了C57BL/6J雄性小鼠的腦、硬腦膜和脊髓樣本進行MHC II多肽鑒定（圖3a）。結(jié)果顯示MHC II的表達在EAE小鼠組織中明顯增加，且在大腦和硬腦膜中，MBP158-195區(qū)域內(nèi)的肽的呈現(xiàn)明顯減少，但在下游的MBP196-236抗原區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯變化（圖3b,c）。然后，將MBP160-175肽封裝在胞外囊泡（EVs）中，注射入小鼠的小腦延髓池，以測試其作為潛在抗原特異性免疫療法的效果。與預期一致，與其他對照組相比，在EAE癥狀出現(xiàn)之前接種MBP160-175 EVs的小鼠，其自身免疫反應受到明顯抑制（圖3d）。而且，將MBP160-175 EVs注射入腦脊液也會導致CTLA-4+ Foxp3-CD4+抑制性T細胞的增加，與先前在硬腦膜中觀察到的現(xiàn)象一致（圖3e-f）。此外，在多個淋巴結(jié)（包括dCLNs和sCLNs）中也觀察到類似的變化，但不影響脾臟。為了進一步了解這一點，作者將空囊泡或含有MBP160-175的囊泡直接注入CSF后，對硬腦膜和dCLNs進行了scRNA測序，結(jié)果接受含有MBP160-175囊泡的小鼠的硬腦膜中Foxp3-Tregs簇出現(xiàn)明顯擴增（圖3h）。上述結(jié)果表明通過向腦脊液提供內(nèi)源性調(diào)節(jié)性MBP肽，可以特異性地提高抑制性CD4+ T細胞的數(shù)量，從而為中樞神經(jīng)系統(tǒng)提供足夠的保護，以對抗自身免疫反應。
圖3 MBP多肽胞外囊泡治療效果評估小結(jié)
本研究全面鑒定了中樞神經(jīng)系統(tǒng)在免疫穩(wěn)態(tài)期間的MHC II多肽組，這些CNS內(nèi)源性肽主要分布在大腦邊界和引流淋巴結(jié)內(nèi)，可抑制免疫反應。有趣的是，當神經(jīng)炎癥導致內(nèi)源性肽缺失時，在腦脊液中補充這些肽可顯著改善中樞神經(jīng)系統(tǒng)自身免疫性疾病。這提出了一種可能性，即中樞神經(jīng)系統(tǒng)尋求適應性免疫系統(tǒng)的參與，以獲得“免疫豁免”。此外，在目前的研究中，主要關注MBP肽，但可以預見的是，還會被有其他功能類似的蛋白衍生多肽的存在，進一步了解它們的共同特性將會有助于開發(fā)新的抗原特異性治療方案。
文獻原文
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08279-y
針對于內(nèi)源性多肽，PEAKS已經(jīng)推出更靈敏、更準確的DeepNovo Peptidome分析流程，若您想了解更多，歡迎下方聯(lián)系方式，提交您的咨詢信息！
參考文獻
文獻原文
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08279-y
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參考文獻
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Reynisson, B. et al. Improved Prediction of MHC II Antigen Presentation through Integration and Motif Deconvolution of Mass Spectrometry MHC Eluted Ligand Data. J Proteome Res 19, 2304-2315 (2020). https://doi.org:10.1021/acs.jproteome.9b00874.
Shao, X. M. et al. High-Throughput Prediction of MHC Class I and II Neoantigens with MHCnuggets. Cancer Immunol Res 8, 396-408 (2020). https://doi.org:10.1158/2326-6066.CIR-19-0464.
Antonioli, L., Pacher, P., Vizi, E. S. & Hasko, G. CD39 and CD73 in immunity and inflammation. Trends Mol Med 19, 355-367 (2013). https://doi.org:10.1016/j.molmed.2013.03.005.
Batlle, E. & Massague, J. Transforming Growth Factor-beta Signaling in Immunity and Cancer. Immunity 50, 924-940 (2019). https://doi.org:10.1016/j.immuni.2019.03.024.
Walker, L. S. & Sansom, D. M. The emerging role of CTLA4 as a cell-extrinsic regulator of T cell responses. Nat Rev Immunol 11, 852-863 (2011). https://doi.org:10.1038/nri3108.
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Walker, L. S. & Sansom, D. M. The emerging role of CTLA4 as a cell-extrinsic regulator of T cell responses. Nat Rev Immunol 11, 852-863 (2011). https://doi.org:10.1038/nri3108.
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免疫肽組
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