通过调节性T细胞整合环境线索控制炎症

摘要

炎症和免疫反应

在感染或损伤期间，免疫反应-相关炎症是恢复组织稳态所必需的。当主要存在于先天免疫系统吞噬细胞上的传感器检测到细胞状态或功能改变时，炎症反应就会启动。尽管传染性病原体是最常见的炎症诱导物，但损伤过程中的组织损伤、癌症和各种自身免疫、代谢和退行性疾病也会扰乱正常组织稳态并促进炎症反应(1). 激活并随后产生保护性T细胞反应是炎症相关免疫反应的关键组成部分。不同类型的入侵病原体需要不同的策略来消除或抑制它们，这种困境需要产生不同类型的保护性炎症免疫反应。典型病原体通常触发一组固有免疫分子传感器（例如TLR、Nod-like receptors[NLRs]、炎症小体、维甲酸诱导基因I[RIG-I]、黑色素瘤分化相关基因5[MDA-5]、dectin-1），促进特定可溶性和膜结合介质的产生，从而引导T和B淋巴细胞分化为不同的效应细胞类型。

这一一般原理基于大量实验数据，这些数据表明，原始CD4⁺感染病毒或细胞内细菌时，T细胞主要分化为产生IFN-γ-和TNF-α的效应Th1细胞；在感染蠕虫和细胞外细菌、酵母或真菌期间，分别诱导产生IL-4、IL-5和IL-13的Th2细胞和产生IL-17和IL-22的Th17细胞(2). 这些细胞显示的不同组细胞因子和其他可溶性和膜结合因子反过来促进免疫系统固有臂和适应性臂其他细胞的匹配效应器功能。因此，这些T细胞亚群不仅作为效应器，而且作为适当炎症反应的主要放大器，最终导致病原体清除或隔离。我们必须指出，这是对感染免疫的一种相当简单的看法，因为可能还没有认识到其他类型的效应器反应，甚至三种主要的效应器响应也可以进一步细分。此外，病原体可以引发“混合”反应，这可能反映了上述未识别的反应类型、以前与病原体的接触史以及与病原体和共生微生物群的复杂三向相互作用。最后，“多功能”T细胞反应也可能被解释为需要保护性炎症反应，以确保不仅控制病原体，而且处理受损组织及其修复。

病原体攻击后，先天免疫细胞以肽-MHC复合物和共刺激分子以及细胞因子的形式提供的信号诱导T细胞中谱系特异性转录因子的表达，这些转录因子有助于获得支持不同效应器、归巢、，和稳态模式。细胞因子感应是这一过程中的主要偏斜决定因素；细胞因子受体通过磷酸化STAT蛋白家族成员发挥作用，STAT蛋白是通常存在于细胞质中的潜在转录因子。活化的STAT蛋白经历核移位并调节基因表达。细胞因子介导的STAT激活驱动谱系定义因子的表达：Th1分化期间的T-bet、Th2分化期间的Gata3和Th17细胞分化期间的孤儿核受体RORγT。这种机制将微环境感知与效应T细胞命运决定结合起来。细胞因子-STAT-Th标志性转录因子的不同组合与每个T细胞谱系的分化有关，这些分子中任何一个的缺乏都会导致相应Th效应器类型的分化受损(2).

如上所述，效应免疫反应的“通道化”是由Th细胞亚群支持前馈回路的能力来解释的，前馈回路驱动一种独特的保护性免疫反应。例如，专性细胞内细菌或病毒触发先天性免疫细胞产生IFN-γ和IL-12，最终导致T-bet的激活，从而指导Th1细胞的生成。Th1细胞产生IFN-γ，增强产生IFN-γ和IL-12的先天免疫细胞的激活以及CD8的分化⁺T细胞转化为效应CTL(三). 同样，固有细胞对寄生蠕虫的反应所触发的IL-4的产生激活了Stat6-Gata3轴依赖的Th2细胞分化，Th2细胞又分泌IL-4、IL-5和IL-13，这些细胞因子进一步动员固有免疫细胞，例如B细胞产生嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞以及有效驱除寄生虫所需的IgE(4–6).

胃肠道粘膜表面大量存在的Th17细胞的最佳生成依赖于Stat3-激活细胞因子IL-6、IL-21和IL-23与TGF-β的协同作用，以触发RORγt的表达(7,8). Th17细胞分化可在识别受感染的凋亡T细胞后启动，并受到肠道微生物群组成的显著影响，其产物作用于肠道树突状细胞(9,10). Th17细胞分泌的IL-17、IL-22和IL-21动员中性粒细胞并作用于上皮细胞，促进抗菌肽的合成以及组织重塑和修复(11,12). 此外，Th17细胞也能促进B细胞反应(13). 此外，在小鼠和人类的皮肤中都发现了一种Th17相关细胞类型，即产生IL-22但缺乏IL-17的Th22细胞，在银屑病皮损中尤为显著(14–16). IL-22的产生严重依赖于另一种核受体——芳烃受体（AHR）的转录活性(17). 除了这些效应器T细胞类型外，产生IL-21的滤泡T辅助细胞（Tfh）的一个独特亚群（其分化依赖于转录因子Bcl6）支持生发中心B细胞类开关重组(18).

除Th1-、Th2-或Th17-介导的炎症外，暴露于共生微生物、病原体或其产物时，非感染性组织损伤（如缺血）还会导致与髓细胞和淋巴细胞募集和激活相关的无菌炎症。该途径有助于促进组织修复和修复，并防止机会性病原体感染受影响组织(1). 由于代谢平衡紊乱、对各种刺激的应激反应、自身免疫性疾病和癌症病变导致的细胞生理和功能改变导致炎症，炎症的生理作用是恢复组织内环境平衡。然而，能够检测和响应无菌炎症的分子传感器和信号级联尚不清楚。

尽管炎症是控制感染和维持正常组织功能的强大机制，但如果不加以控制，它可能会产生严重的有害影响。在消退阶段，炎症反应的不受控制的激活或减弱可能导致组织功能的永久性损伤和慢性炎症；未经检查的Th1和Th17反应是几种慢性自身免疫性和炎症性疾病的基础，包括结肠炎、多发性硬化症、银屑病、类风湿性关节炎和炎症性肠病（IBD），而调节异常的Th2反应参与哮喘和特应性反应(2). 多个调节回路作为信号通路的细胞内负反馈，可溶性介质以旁分泌和自分泌的方式工作，以及Tregs介导的抑制抑制广泛的炎症反应，并维持组织和器官水平的内稳态。

Treg介导的炎症反应控制

由转录因子Foxp3表达指定的Tregs致力于抑制先天性和适应性免疫细胞的激活和反应。与Tregs在免疫稳态、缺失或功能丧失突变中的中心作用一致Foxp3系列基因导致人和小鼠多器官自身免疫性疾病(19–21). 不同类型炎症反应的自发放松调节Foxp3系列-缺陷动物表明Tregs需要维持正常的免疫稳态。这一发现提出了一个问题：Tregs对自身抗原、共生微生物和病原体的反应是通过一种普遍的抑制机制来控制的吗？还是这些细胞利用专门用于控制不同类型炎症反应的模块化抑制程序？

Tregs表达多种能够抑制的细胞表面和分泌分子（例如CTLA-4、TGF-β、IL-10、TIGIT、CD39、CD73和颗粒酶）。一些研究表明，Tregs可以通过作用于树突状细胞、诱导活化细胞的直接细胞溶解或作为细胞因子库来控制效应T细胞，从而阻止免疫效应细胞的增殖(22). 尽管这些单独的效应器机制可以提供一定程度的免疫调节，但最近的研究强烈表明，这些机制都不能单独解释Treg介导的免疫调节。例如，Tregs中IL-10生成的选择性缺乏会导致粘膜表面和皮肤的炎症反应增加，但不会导致全身广泛的炎症损伤(23). 事实上，正如我们下面所描述的，最近的研究表明，Tregs根据炎症反应的环境和位置使用不同的抑制机制。

Tregs使其抑制程序适应特定炎症环境的概念是基于转录因子的功能研究，尤其是干扰素调节因子（IRF）和STAT家族的成员，它们由明确的环境线索激活。IRF4是Th2和Th17分化所需的转录因子，由Foxp3直接调节，因此由Tregs高度表达。Tregs中IRF4的条件性消融揭示了无诱因的自身反应性Th2反应的选择性失调，其特征是Th2细胞因子的产生增加，IL-4依赖性Ig同型类转换，以及靶组织中显著的血浆细胞生成和积聚。此外，发现IRF4与Foxp3相关，这种相互作用导致基因表达的协同调节(24). Foxp3-IRF4复合物靶向的分子之一是诱导性T细胞共刺激因子（ICOS），此前已证明其在Th2细胞上分化所需(25). 此外，某些标志性Th2基因的表达，如c-maf、CCR9和IL-33受体（T1/ST2），在IRF4缺乏的Tregs中减少。这些结果表明IRF4可能参与调节Th2和Tregs共享的转录模块。Foxp3对IRF4的募集可能会改变该模块，以促进Th2反应的抑制(24). 此外，IRF4和BLIMP-1被提议用于促进Treg效应细胞的生成(26). 最近的研究还表明，Gata-3参与Foxp3表达的调节、炎症部位Treg稳态以及粘膜部位Th2炎症的控制(27–29).

类似地，Treg特异性消融Stat3（Th17细胞分化的关键转录因子）导致Th17细胞反应失控(30). 与IRF4类似，激活后，Stat3与Foxp3结合，这种相互作用调节基因表达。缺乏Stat3的Tregs显示参与Th17细胞分化的细胞因子受体（如IL-6R和IL-1R）表达减少(31). IL-6R和IL-1R的低表达表明，与IL-2类似，Tregs可能通过充当IL-6和IL-1的汇而调节Th17的发育。此外，Stat3缺陷Tregs产生TGF-β1和IL-6等因子，这些因子可以驱动Th17分化，并显示较低水平的CCR6，CCR6是迁移到Th17炎症部位所需的趋化因子受体。综上所述，这些缺陷表明Stat3可以控制Treg介导的Th17应答抑制的多个方面，因此进一步分析Stat3和Foxp3共同调控的基因靶点将非常有用。

此外，T-bet在Tregs中的表达使它们能够迁移和增殖，并在Th1应答的位点积累，并且缺乏T-bet表达的Tregs在Th1应答的调节中选择性受损，而不是Th2或Th17应答的调节(32). 然而，与IRF4或Stat3缺陷不同，携带T-bet缺陷Treg的嵌合体小鼠没有表现出自发的免疫介导炎症，只有在能够触发Th1反应的药物激发和需要Treg扩增的条件下才能发现缺陷。

在三项研究中，对特定免疫效应器功能及其抑制的这种对称性机制要求也扩展到了Treg介导的对Tfh细胞的控制，这表明Tregs中Bcl6表达的增加使其能够进入生发中心并控制旁观者，可能是自动的，抗体反应(33–35). 最近的研究表明，在IL-4和TGF-β的联合作用下，T细胞激活的另一种模式导致产生Th2-相关的IL-9-产生CD4⁺T（Th9）细胞与几种免疫介导的过敏性疾病相关。Th9细胞的发育取决于转录因子IRF4和PU.1的表达，Tregs是否表现出类似的转录因子需求和专门的抑制机制来控制它们还有待观察（参考文献。36,37和图​图11).

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图1

外周原始CD4⁺T细胞分化受细胞因子信号控制。

Th1细胞的分化由IL-12和IFN-γ驱动，Th2细胞的发育依赖于IL-4，IL-6与TGF-β联合调节Th17的分化，而Tfh细胞的分化需要Stat3诱导因子，如IL-6或IL-21，而Th9细胞的生成依赖于IL-4-和TGF-α。遗传证据表明，Foxp3对效应T细胞分化所需因子的协同作用使Tregs能够定制其抑制程序，以控制相应类型的免疫反应。Tregs中Th1抑制模块的激活依赖于IFN-γ和IL-27，而Th17抑制需要IL-10介导的Tregs Stat3激活。

总之，这些结果表明，暴露在不同炎症环境中的Tregs表现出异质性，这是由于激活了一些促进免疫效应细胞反应的相同转录调控因子所致。效应器CD4是否⁺T细胞特异性转录因子允许Treg具有选择性迁移特性，并支持其在特定环境中生存，或增强针对相应类型免疫反应的特定Treg抑制能力，或两者兼而有之，目前尚不清楚。尽管如此，这些发现强烈支持Tregs和免疫效应细胞整合环境线索的对称性概念。

细胞因子在Treg功能中的作用

触发血统特异性抑制程序的信号尚未完全阐明。Stat3在促炎细胞因子IL-6、IL-21和IL-23下游被激活，这些细胞因子在Th17细胞分化和反应中起着关键作用，IL-10也可以抑制Th17细胞介导的炎症。我们最近证实，Treg对Th17反应的抑制依赖于对IL-10相关抗炎信号的感知(38). 已知几种不同类型的细胞，包括活化后的T细胞，会产生IL-10(39). 这些发现表明，在这种情况下，Tregs作为免疫效应细胞诱导的负调节因子的放大器，而不是使用炎症环境诱导的负反馈调节。因此，与不同类型的Th细胞增强效应免疫反应类似，Tregs充当免疫效应细胞负调控回路的放大器，以抑制Th17细胞介导的炎症。

在效应T细胞中，T-bet的表达由促炎细胞因子IL-12和IFN-γ诱导。据报道，Tregs中IFN-γ受体（IFN-γR）和Stat1的缺失导致表达CXCR3（趋化因子[C-X-C基序]受体3，一个直接的T-bet靶点）的细胞数量减少，这表明Tregs的T-bet是在暴露于IFN-γ后触发的(40). 不同细胞因子基因座间允许和抑制组蛋白修饰的全基因组定位显示，IL-12Rβ基因在Tregs中表观遗传沉默，功能性IL-12R在体内Tregs没有有效表达。然而，体外Tregs已被证明可上调T淋巴细胞对IL-12的反应，这表明在某些条件下IL-12可能对Tregs起作用(40). 这些结果表明，多种信号通路，如IFN-γR触发的信号通路，可能与次级淋巴器官Tregs中T-bet的激活有关。然而，在粘膜部位，IL-27（而非IFN-γ）在Tregs中CXCR3和T-bet以及IL-10的诱导中起主要作用，并允许它们限制局部部位的炎症Th1反应(41).

使Tregs抑制Th2反应的细胞因子信号尚不清楚。IRF4的表达是Treg介导抑制Th2依赖性炎症所必需的，由TCR和Foxp3调节(24,42). 虽然其他导致IRF4激活的细胞外因子尚不清楚，但IL-1家族成员和Th2相关细胞因子是潜在的候选因子；提示IL-1在Th17分化过程中促进IRF4的诱导，而IL-4在巨噬细胞交替激活过程中诱导IRF4表达(43). 进一步阐明影响Tregs抑制能力的细胞因子将有助于解决这个问题。

虽然人们认为Tfh细胞中Bcl6的表达依赖于IL-6和IL-21下游Stat3的激活(18)目前尚不清楚Tregs中Bcl6的表达是否依赖于相同的线索。尽管Tregs中Stat3的缺失导致Th17反应的失调，但在这种情况下，Stat3的激活主要是IL-10R的下游。可以想象，在IL-6和IL-21信号的背景下，Tregs中Stat3的激活可能导致Bcl6上调。Th17细胞也能增强B细胞的反应(13)需要进行仔细分析，以确定Stat3缺陷Treg是否在直接控制Tfh反应的能力方面受损。

Tregs控制无菌炎症

炎症触发效应T细胞和Tregs中因子的对称激活的概念可以进一步扩展到不同的组织环境；很容易想象，非免疫组织或细胞型特异性转录因子也可能在特定组织中表达，并对存在于特定组织中的Tregs产生影响，支持其维持局部内环境稳定的能力。

支持这一观点的关键证据来自于腹部脂肪中Tregs亚群的鉴定及其在控制代谢性炎症中的作用(44). 代谢紊乱，如肥胖，往往伴随着脂肪组织中的低度慢性炎症。最近的研究表明，Tregs在内脏脂肪组织中高度富集，并且在一些肥胖实验模型中其频率显著降低，这表明Tregs的抗炎特性可能在控制代谢综合征方面具有显著作用。与次级淋巴器官或其他非淋巴组织中发现的Tregs相比，脂肪受体Tregs在脂肪细胞系转录因子PPARγ的高水平表达方面是独特的(45). 为了支持上述假设，这些脂肪受体Tregs的基因表达谱揭示了反映其解剖位置的独特特征。PPARγ在脂肪受体Treg体内平衡和可能的功能中发挥重要作用；Tregs中PPARγ缺乏与类似II型糖尿病的代谢综合征相关，这意味着Tregs可以控制代谢炎症。事实上，吡格列酮等治疗药物是通过调节脂肪组织发挥作用的，它可以改善肥胖动物和人类的一些代谢参数，并作为PPARγ激动剂发挥作用(45). 因此，额外的组织特异性转录因子也可能在特定组织环境中调节Treg功能中发挥重要作用。

Tregs的稳定性/可塑性

由于Foxp3在Tregs的分化、稳态和抑制功能的维持中起着基础性作用，因此Foxp3的持续表达对Treg谱系鉴定至关重要。这一观点得到了实验的支持，在完全分化的Tregs中消融Foxp3导致其失去抑制和“前”Tregs获得免疫效应功能的能力，即产生免疫效应细胞因子和转移到淋巴减少受体后引起组织病理学的能力(46). 一些报告表明，Tregs在炎症和淋巴细胞减少以及接种含有TLR配体的佐剂后表现出明显的不稳定性并失去Foxp3表达(47,48). 此外，这些“ex-Tregs”可能转化为致病性效应细胞，并可能引发有害的自身免疫反应。然而，这些观点受到了研究的挑战，研究表明，Tregs代表一个稳定的血统，即使在各种炎症条件下也能保持身份(49,50). 考虑到目前正在努力采用过继性Treg移植治疗实体器官移植患者和患有移植物抗宿主病（GVHD）的骨髓移植患者(51)，Treg血统的稳定性问题具有相当重要的现实意义。这些不同的发现可以通过设想一种场景来调和，在这种场景中观察到Foxp3表达的“可塑性”，而不是反映完全分化Tregs中的谱系重编程，是由于最近生成的少量Treg通过不稳定Foxp3表达的瞬态状态而存在。然而，由于转录因子的上调或激活，炎症和组织环境能够改变Tregs的转录和功能特性，从而促进传统T细胞中的效应细胞因子反应，提出了一个问题，即在炎症环境中，尽管Foxp3丢失，但某些Treg是否具有致病潜力。例如，在急性弓形虫感染的条件下以及在皮肤移植的情况下，Tregs获得产生IFN-γ的能力，而不会失去Foxp3的表达(52,53). 此外，Foxp3的出现⁺RORγt⁺在人类和小鼠中都观察到产生IL-17的Tregs(54,55). 目前尚不清楚这些Tregs产生的细胞因子是否具有调节作用，或者通过激活和招募其他免疫细胞来显示炎症功能。

超越抑制：分子观点

由于STAT家族成员在Tregs中起着重要的功能作用，其表达和激活状态需要严格控制。虽然Tregs中Stat的次优表达会导致有害后果，但Stat的异常或超优表达可能会触发促进炎症反应而非抑制的转录程序。在这方面，不仅Stat1的缺失，而且由于miR-146a或SOCS1的缺失导致其在Tregs中的高表达或不受控制的激活，都可能导致Th1依赖性免疫介导的病理学(56). 除了产生IFN-γ的效应T细胞急剧增加外，SOCS1-或miR-146a缺陷的Tregs也产生IFN-γ。这些结果表明，Tregs中的炎症感应是可调节的，而不是双相的。似乎Tregs中STAT家族成员的过度激活可能会克服Foxp3对细胞因子基因的抑制，导致效应器特性的获得，并可能对抑制功能所需的一组基因产生负面影响。这些观察结果表明，Tregs整合环境线索的一般模型，其中通过维持细胞因子受体下游转录因子的最佳激活阈值，在动态变化的炎症环境中建立了专门的Treg抑制程序，对细胞因子受体的调控至关重要相应类型的免疫反应（图​（图22).

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图2

Tregs抑制免疫反应的能力需要Tregs中的Stat表达。

(A类)Tregs中Stat激活的最佳窗口是免疫稳态所必需的。(B类)当Stat水平被优化时，Stat-激活细胞因子诱导Tregs激活。遗传证据表明，低于或高于最佳Stat水平会导致免疫介导的病理学。

致谢

脚注

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