目前，我們對人體免疫系統(tǒng)的認(rèn)識仍然存在片面性，比如許多具有臨床重要性的免疫受體已被視為“孤兒”，它們的配體仍未被發(fā)現(xiàn)；又比如我們的研究方法仍局限于單個受體，缺乏系統(tǒng)地表征整個細(xì)胞表面蛋白質(zhì)組的吞吐量，諸如此類的問題。我們都知道，人體免疫系統(tǒng)由分布在全身循環(huán)的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)組成，這就迫切地需要產(chǎn)生真正系統(tǒng)級的免疫細(xì)胞功能全方位互作視圖。
2022年8月3日，Nature發(fā)布了一項最新研究，劍橋大學(xué)、約克大學(xué)等多個名校聯(lián)合，首次為人類免疫系統(tǒng)的細(xì)胞間布局提供了一個系統(tǒng)的視角，從免疫細(xì)胞連接的系統(tǒng)級延伸到單個受體表征，為未來詳細(xì)研究免疫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提供了一個模板。
構(gòu)建表面蛋白相互作用組
研究的第一步就是要讓蛋白受體們相互接觸，研究者首先開發(fā)了一種“可擴(kuò)展的陣列多價細(xì)胞外相互作用篩選 (SAVEXIS)”方法，該方法可以在消耗微量蛋白質(zhì)的同時篩選數(shù)十萬種相互作用。通過利用鏈霉親和素的多聚化，構(gòu)建了篩選的固定“誘餌”和報告基因連接的“獵物”，這保證了放大信號從一個構(gòu)建體而不是兩個構(gòu)建體中產(chǎn)生，并且該設(shè)計適用于檢測跨結(jié)構(gòu)類別范圍內(nèi)的低親和力蛋白相互作用。
Figure 1圖解：
a, SAVEXIS 能夠高效和高通量篩選重組細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域之間的蛋白質(zhì)結(jié)合相互作用；
b,有六種不同的定制設(shè)計用于功能表達(dá)不同的受體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多組分復(fù)合物；
c，總結(jié)了免疫受體的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)對矩陣，它們具有通過篩選鑒定或先前在文獻(xiàn)中報道的相互作用；
d, 篩選成功地發(fā)現(xiàn)了大多數(shù)先前報告的交互作用，且誤報最少；
e，免疫受體相互作用的有組織的相互作用網(wǎng)絡(luò)。紫色表示哪些相互作用是新穎的，線條粗細(xì)與篩選測量的證據(jù)量成正比。
量化總受體參與情況
為了驗證Figure1的發(fā)現(xiàn)，每個交互都需要通過正交方法進(jìn)行評估，具體實驗過程見以下Figure 2詳解。但該部分實驗中，作者有一些發(fā)現(xiàn)：
1.在與抗原呈遞細(xì)胞的接觸中，與樹突狀細(xì)胞相比，循環(huán) T 淋巴細(xì)胞在與 B 細(xì)胞配對時表現(xiàn)出對更高親和力受體的微妙偏好。
2.表面相互作用的總體分布具有以低微摩爾范圍為中心的親和力。
3.更高的表達(dá)水平確實與結(jié)合強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。
4.免疫激活伴隨著細(xì)胞相互作用強(qiáng)度的廣泛轉(zhuǎn)變。高親和力的相互作用在發(fā)炎狀態(tài)下占主導(dǎo)地位，而這些在靜止?fàn)顟B(tài)下被更短暫的相互作用所取代，
Figure 2詳解：
a, 首先，作者測試了用編碼受體的 cDNA 轉(zhuǎn)染后展示在人類細(xì)胞表面上的蛋白質(zhì)與互補(bǔ)受體的結(jié)合情況。
隨后，又用兩輪表面等離子體共振（SPR）來表征直接結(jié)合強(qiáng)度。
c，根據(jù)a與b的實驗結(jié)果，研究者意識到，可以將 SPR 數(shù)據(jù)中測量的結(jié)合親和力與從文獻(xiàn)中提取的測量值結(jié)合起來，不僅可以組裝一個系統(tǒng)的物理相互作用網(wǎng)絡(luò)，還可以組裝一個獨特的定量網(wǎng)絡(luò)。
d，研究者將這種定量受體相互作用網(wǎng)絡(luò)與白細(xì)胞中的蛋白質(zhì)組學(xué)表達(dá)相結(jié)合，以深入了解整個免疫系統(tǒng)的結(jié)合動力學(xué)模式
f，建立了一個粗略但有規(guī)則的數(shù)學(xué)模型，該模型整合了定量蛋白質(zhì)組學(xué)表達(dá)、結(jié)合動力學(xué)和公布的細(xì)胞參數(shù)，以總結(jié)單個蛋白質(zhì)相互作用對給定細(xì)胞相互作用的貢獻(xiàn)。在圖g中得到了驗證，數(shù)據(jù)與已發(fā)布的數(shù)據(jù)一致。
集成多蜂窩免疫網(wǎng)絡(luò)（器官組織間）
盡管作者建立的的數(shù)據(jù)集使用循環(huán)免疫細(xì)胞作為來源，但免疫系統(tǒng)跨越了廣泛的器官，每個器官都可能是理解相互作用的生物學(xué)作用的關(guān)鍵。因此，研究者試圖通過創(chuàng)建一個交互式地圖集來將網(wǎng)絡(luò)的相互作用背景化，該地圖集繪制了在人類組織的單細(xì)胞表達(dá)數(shù)據(jù)集中檢測到這些受體和配體對的位置。具體過程仍見Figure 3詳解。
Figure 3詳解：
a，單細(xì)胞數(shù)據(jù)集的系統(tǒng)整合，地圖集繪制了在人類組織的單細(xì)胞表達(dá)數(shù)據(jù)集中檢測到這些受體和配體對的位置。
c，發(fā)現(xiàn)了一個反復(fù)出現(xiàn)的基序，其中髓系細(xì)胞在多個細(xì)胞相互作用網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)樞紐。在多個初級和次級淋巴組織中量化，骨髓細(xì)胞具有始終較高的網(wǎng)絡(luò)中心性評分
d，為了研究這些相互作用是否在人體生理環(huán)境下表現(xiàn)出來，研究者檢查了淋巴結(jié)空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)集中受體和配體的空間共定位，不過這只是一個時間點的情況。
e，在Figure1中，研究者發(fā)現(xiàn)的新型相互作用對，例如 JAG1-VASN（分布在人類淋巴結(jié)富含免疫細(xì)胞的隔室的邊界區(qū)域），可以在后續(xù)實驗中詳細(xì)驗證。
多重白細(xì)胞檢測并鑒定受體蛋白功能通路
研究者為了評估所表征的蛋白-受體相互作用是否可以在調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)方面具有潛在的臨床用途，他們對分離的人類免疫細(xì)胞進(jìn)行了高通量細(xì)胞表型分析。具體過程見以下Figure 4詳解。
Figure 4詳解：
a，用重組蛋白干擾人外周血單核細(xì)胞 (PBMC) 并在 4 小時和 24 小時成像，測量細(xì)胞活化和連接的變化
b，研究者使用具有確定受體相互作用的蛋白質(zhì)引發(fā)對淋巴細(xì)胞作用的反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)一組新型相互作用因子中的蛋白質(zhì)（TNFRSF21 以及粘附蛋白 CHL1 和 CD320）引發(fā)了多種反應(yīng)，促進(jìn)了自然殺傷 (NK) 細(xì)胞激活。
c，從高內(nèi)涵成像數(shù)據(jù)中提取相互作用的細(xì)胞群落。以重組 SEMA4D 和 SIRPA 為例，描繪了受重組 SEMA4D 和 SIRPA 干擾的白細(xì)胞的代表性顯微鏡視野（左）和計算的物理細(xì)胞接觸（右，白線）。
e，觀察到的相互作用變化符合數(shù)學(xué)模型的預(yù)測。
總結(jié)
免疫系統(tǒng)是一個分布式系統(tǒng)，它不是固定在體內(nèi)的局部器官上，而是由許多特殊的細(xì)胞類型組成，這些細(xì)胞類型必須適應(yīng)性地協(xié)調(diào)細(xì)胞間信號傳遞，以應(yīng)對病原體和其他可能出現(xiàn)的威脅。
該文提供了細(xì)胞表面蛋白的系統(tǒng)和定量全局視圖，這些蛋白使免疫細(xì)胞能夠動態(tài)運(yùn)行它們的相互作用。研究者在該系統(tǒng)中提到的每一個蛋白-受體相互作用都值得進(jìn)一步的個性化研究，并進(jìn)一步闡明它們在健康和疾病中的全部作用，這需要科學(xué)家們的進(jìn)一步探索。
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