感染后的表观遗传免疫修饰 [复制链接]

转自：NEJM医学前言

抗原特异性致敏淋巴细胞，进而诱导产生免疫的机制已为我们所充分了解。在过去10年间，单核细胞、自然杀伤细胞和树突状细胞发生特异性致敏的重要性逐渐为我们所认识。上述致敏作用是由持久表观遗传变化所引起，这些变化可显著增强或抑制免疫应答。简而言之，免疫刺激（感染或免疫）可对宿主的免疫应答产生长期影响。本文将介绍这些表观遗传效应的产生机制，以及它们如何影响人体对后续感染和疫苗接种产生的应答。表观遗传疗法已改善了癌症患者的临床结局，并即将在临床上常规应用于感染治疗和疫苗接种。

体液免疫和细胞介导免疫的特异性

19世纪90年代，Klemperer兄弟证明，给家兔接种灭活肺炎球菌可在肺炎球菌攻击时产生保护作用。将免疫家兔血清输入非免疫家兔体内可传递上述保护作用，这体现了体液免疫的概念。他们进一步发现，上述接种不能在其他肺炎球菌菌株攻击时产生保护作用，因而表明体液免疫是一种免疫特异性现象1。细胞介导免疫的概念发展得较慢。科赫试图使用结核菌素（从结核分枝杆菌中提取的一组蛋白质）建立对结核病的免疫，但没有成功。VonPirquet表明，给结核病患者注射结核菌素可引起局部炎症反应；上述迟发型超敏反应的特征是淋巴细胞和巨噬细胞聚集，并具有抗原特异性。年，Dubos和Schaedler报道，给小鼠注射卡介苗（BCG）（牛分枝杆菌减*株）可增强其对金*色葡萄球菌和偶然分枝杆菌的抵抗力2。他们将上述非抗原特异性免疫归因于单核细胞的激活，这一现象已在体外试验中得到证实3,4。Mackaness5,6的开创性试验表明，用布鲁菌等胞内微生物或卡介苗感染小鼠可保护其免受抗原方面无关的细菌（如李斯特菌）感染。他们提出的机制是抗原特异性刺激增强了巨噬细胞的非特异性杀菌能力。

Mackaness将这一现象称为获得性细胞抵抗力。Musher等报道，感染李斯特菌可对小鼠产生保护作用，使其免于感染典型的细胞外微生物肺炎链球菌7，他们将此效应归因于在感染李斯特菌的巨噬细胞中，氧化代谢增加8。非特异性获得性细胞抵抗力可在胞内细菌（李斯特菌）6、病*（流感病*）9和原生动物（巴贝虫和疟原虫10、弓形虫11和利什曼原虫12）攻击时对实验动物产生保护作用。在Mackaness的实验中，有一组至关重要的观察结果未得到解释。既往感染李斯特菌、布鲁菌或BCG的小鼠在最初感染的微生物被清除后，其巨噬细胞仍保留较强的抗菌能力，而且上述较强的抗菌能力无需重新引入致敏抗原，且与淋巴细胞无关。我们现在知晓，这一现象是由于巨噬细胞的持久表观遗传变化。

表观遗传学和非抗原特异性受训后免疫（trainedimmunity）

固有细胞（巨噬细胞、树突状细胞、自然杀伤细胞和网状内皮细胞）通过获得非抗原特异性免疫记忆而激活的机制在过去10年间已被阐明。这种不依赖淋巴细胞的适应性特征被称为“受训后免疫”13。用于诱导受训后免疫的两种研究最为广泛的模型是BCG或β-葡聚糖（念珠菌的细胞壁成分）免疫。上述训练与淋巴细胞无关且具有非抗原特异性，这些已在大量实验中得到证明（表1）。将纯化巨噬细胞与BCG或β-葡聚糖在体外孵育7天后，上述巨噬细胞暴露于脂多糖、念珠菌或葡萄球菌之后产生的肿瘤坏死因子的量超过对照巨噬细胞14。有重症联合免疫缺陷（SCID），因而缺乏B细胞或T细胞的小鼠感染BCG后，巨噬细胞有较稳健的非抗原特异性再次应答，并且采用致死剂量念珠菌攻击后仍可存活14。接种β-葡聚糖的小鼠暴露于致死剂量的金*色葡萄球菌后，其生存率较高19。人如果在接种BCG3个月后暴露于葡萄球菌或念珠菌，其巨噬细胞可产生较多的肿瘤坏死因子和白介素-。在实验室动物中进行的其他实验表明，巨噬细胞可获得针对一系列病原体的非抗原特异性、交叉保护性受训后免疫力，这些病原体包括细菌（大肠埃希菌、肺炎链球菌和金*色葡萄球菌）14,19-21、病*（*热病和流感）9,15、寄生虫（疟原虫）22和真菌（白色念珠菌）14,20,22,23。在初次暴露于BCG或β-葡聚糖后5天内，固有细胞开始表现出较稳健的应答，且上述应答可持续至少1年，即最初刺激被清除后仍可持续很长时间21。显然，这些实验数据中描述的受训后免疫不同于B细胞介导的和T细胞介导的抗原特异性适应性免疫。

表1.持续有益非特异性免疫的证据*

*BCG表示卡介苗，H3K4me3表示组蛋白3赖氨酸4的三甲基化，H3K27ac表示组蛋白3赖氨酸27的乙酰化，LPS表示脂多糖，MCMV表示鼠巨细胞病*，mTOR表示哺乳动物雷帕霉素靶蛋白，NK表示自然杀伤细胞，TNF表示肿瘤坏死因子。

受训后免疫是通过表观遗传改变（基因组组织方式的重新配置）而发生。每个人类细胞含有大约2m长的双链DNA，DNA与组蛋白八聚体形成核小体，被紧密包裹在细胞核内。DNA的包装并不是随意的；而是形成三维结构，这样基因表达机制接触到特定基因启动子的能力取决于启动子在染色质网络中的位置。通过将组蛋白乙酰化或甲基化，或者将DNA5′胞嘧啶残基甲基化的方式，可以将染色质重构（图1）。对转录过程的其他表观遗传调控包括DNA本身的甲基化（控制转录因子与基因启动子的结合），以及非编码RNA的释放（也调节转录过程）。

图1.非抗原特异性免疫记忆（受训后免疫）的表观遗传学机制

通过将DNA包裹在组蛋白周围的方式，DNA被压缩成封闭的异染色质和开放的常染色质（图A）。组蛋白尾部可被修饰，通常带有使基因更易被接近的标志。一些常见的翻译后修饰包括组蛋白3赖氨酸4的三甲基化（H3K4me3），H3K4me3可促进染色质开放。相反，组蛋白3赖氨酸27的三甲基化（H3K27me3）可促进异染色质。某些表观遗传标志对基因表达的影响已经明确（图B）。DNA甲基化可减少转录因子结合并减少基因表达。相反，H3K27乙酰化可增加染色质可及性，从而增加基因表达能力。基因也可同时发生激活（即H3K4me3）和抑制（如H3K27me3）修饰，进而形成二价“平衡”状态。乙酰化和甲基化之外的其他表观遗传标志尚未得到充分研究和了解。长链非编码RNA（lncRNA）充当骨架，将间隔数千碱基的基因的拓扑相关结构域相连接。组蛋白泛素化、巴豆酰化、丁酰化或乳糖化以及RNA乙酰化和甲基化在持久免疫功能中的作用仍不清楚。在巨噬细胞（图C）中，卡介菌（BCG）和β-葡聚糖分别通过核苷酸结合寡聚化结构域蛋白2（NOD2）和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）诱导特异性配体细胞信号通路，从而增加TNF和IL6启动子的H3K4me3。因此，当巨噬细胞暴露于不同抗原的非特异性刺激时，白介素-6和肿瘤坏死因子（TNF）应答增加。在单核细胞和淋巴细胞（图D）中，脓*症、肺炎和慢性感染可诱导产生有害的表观遗传瘢痕（如DNA高甲基化和封闭的染色质构象），这导致细胞受到攻击时，效应细胞功能下降。CTLA-4表示细胞*性T淋巴细胞相关蛋白4，H3K9me3表示组蛋白3赖氨酸9的三甲基化，H3K27ac表示组蛋白3赖氨酸27的乙酰化，NFAT表示活化T细胞核因子，NF-κB表示核因子κB，PD-1表示程序性死亡受体1，TIM3表示T细胞免疫球蛋白黏蛋白3。

这种并非发生于DNA本身，而是发生于DNA“外表”（epi）的重构称为表观遗传修饰。这些修饰重构了启动子的可及性，因此也重构了基因转录的可及性（图1）。最终结果是重构了对某些基因表达有抑制或刺激作用的拓扑相关结构域内的相互作用。因此，这些基因和结构域可以在细胞激活时进行快速共表达16。受到刺激后，固有细胞经历表观遗传重构，染色质可及性增加并持续，因此细胞可对类似或在抗原方面不同的其他刺激产生更快、更强的应答。“受训后免疫”指的是这些非抗原特异性、交叉保护性持久固有免疫应答。

BCG或β-葡聚糖刺激固有细胞时，核苷酸结合寡聚化结构域样受体、C型凝集素受体和其他模式识别受体诱导细胞代谢发生改变，从而增加糖酵解、谷氨酰胺分解和胆固醇合成20，并引发表观遗传变化25,28。截至目前，描述最充分的变化是染色质可及性增加，以及白介素-1β、白介素-6和肿瘤坏死因子的组蛋白3赖氨酸三甲基化（H3K4me3）。抑制组蛋白甲基化的化学抑制剂可阻断BCG诱导的表观遗传变化和受训后免疫，这个确定了表观遗传变化和受训后免疫之间的机制关系14,15,19。除卡介苗和β-葡聚糖外，小鼠暴露于来自结核分枝杆菌的另一种减*活疫苗（称为MTBVAC）也可诱导产生类似的，表观遗传学介导的固有免疫训练，并降低接种疫苗小鼠受到肺炎链球菌攻击时的死亡率18。表观遗传学介导的固有免疫训练在初次致敏1年后仍可检测到，但目前认为终末分化的固有细胞只存活数周。初步证据提示，造血干细胞的转录、代谢和表观遗传变化所产生的终末分化单核细胞具有较高的杀微生物能力23,29-31，这确立了非抗原特异性训练持久存在的潜在机制。

表2.对非特异性免疫产生持续有害效应的证据*

*HIF-1α表示低氧诱导因子1α，IRF表示干扰素调节因子，LAG3表示淋巴细胞活化基因3，LCMV表示淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病*，NF-κB表示核因子κB，PD-1表示程序化死亡受体1，PI3K表示磷脂酰肌醇3激酶，PRC表示多梳抑制复合体（poly