真相转瞬即逝—蛋白质组学揭示T细胞免疫激活的动态过程

景杰编者按：T细胞是一类参与对抗疾病及维持免疫系统平衡的白细胞。要迅速启动有效的免疫反应依赖于生成一支能够识别和消除感染威胁的T细胞军队，然而到底有哪些“分子回路”介导了抗原激活静息状态T细胞的过程，从而引发一系列免疫反应？ 最近一篇发表在国际顶级期刊Immunity（IF: 24）上的文章给出了答案。该研究结合蛋白质组学及系统生物学的研究策略，精确分析了抗原激活T细胞过程中全蛋白谱和磷酸化修饰谱的动态变化，并通过功能实验剖析了COX10，这个在线粒体能量代谢通路中的关键蛋白，是如何通过调节氧化磷酸化而导致T细胞脱离静息状态。景杰公司作为全球蛋白质及翻译后修饰的领跑者，可以为您提供一整套常规蛋白质组学及磷酸化组学研究的解决方案，同时还能为您提供高灵敏度的磷酸化修饰抗体，助力您的研究工作。

该图摘自Amit et al., 2011. Strategies to discover regulatory circuits of the mammalian immune system. Nature Reviews Immunology.

前  言：初始T细胞（Naïve T cell），也称未致敏T细胞，其未受到抗原刺激前处于相对静止状态。在抗原刺激下，T细胞表面抗原受体（TCR）会触发一系列信号级联反应，包括白介素2（IL-2）和各种细胞表面受体的激活，从而引发T细胞增殖分化形成效应T细胞发挥功能。虽然已有文献对T细胞的克隆扩张和成熟分化机制进行了研究，然而学术界对于连接这些免疫过程的中间状态还知之甚少，尤其是T细胞脱离静息状态的分子机制仍不甚清晰。近期的一些研究将注意力集中在了代谢相关的线粒体氧化磷酸化途径上，然而还是未能从分子水平详尽阐述线粒体功能与免疫信号转导的联系，同时也缺少分子遗传学手段剖析真正引发T细胞状态改变的“驱动因子”。

研究思路和成果：本文中，研究人员结合串联标记（TMT）和液质联用技术（LC/LC-MS/MS），分别比较了初始T细胞受到刺激0小时、2小时、8小时、16小时后，其蛋白谱和磷酸化修饰谱的变化。总共定量到8000多个蛋白及13000多个磷酸化修饰肽段，并通过生化实验及统计分析验证了数据的重复性和可靠性。

通过分析差异表达蛋白，作者们发现TCR的激活会引起某些抑制性调节因子（如TP53）的表达水平下降，相反的，TCR激活会上调一些免疫信号分子的表达（如IL-2与TNF-alpha），这些动态变化会打破初始T细胞的稳态，激活细胞因子信号并引发细胞周期进行。进一步的功能聚类和蛋白互作网络分析揭示出T细胞激活与多种线粒体代谢途径的密切联系，如线粒体核糖体功能、线粒体生物合成、细胞色素c氧化酶（氧化磷酸化途径的复合体IV）、与核酸合成紧密相关的一碳叶酸途径等。这些蛋白表达谱的调控和分子功能的改变正是T细胞激活的关键之一。

更为重要的是，研究人员分析了与信号转导密切相关的磷酸化修饰谱的动态变化，即着眼于比蛋白表达谱更高的维度。在被定量到的13,755个磷酸化修饰肽段中，3,280个肽段的修饰水平发生了显著变化 。在T细胞激活的初期（8h以内），胞浆蛋白和细胞骨架蛋白的磷酸化水平变化最为明显，在8h至16h时期，类似的变化发生在翻译相关蛋白质和核定位蛋白上。这些证据说明，T细胞激活初期动态变化的蛋白质磷酸化修饰与稍后期发生在蛋白及磷酸化水平的一系列改变，协同作用完成T细胞的激活过程。研究人员还通过底物磷酸化水平的变化反推其相应的激酶活性变化，发现众多活性上调的激酶都直接或间接的与细胞生长代谢信号AKT、mTOR、ERK/MAKP等相关；而活性下调的激酶如GSK3β、ATM、CHEK2、PLK2等则与抑制T细胞增殖相关。如下图，反映了TCR激活时激酶网络重要成员的蛋白水平、磷酸化修饰水平、酶活性等的变化情况。

进一步的生信分析发现，mTORC1（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1）功能缺失的T细胞中，众多与线粒体功能相关的转录因子活性受到抑制；在同样的突变细胞株中，能被TCR激活的线粒体通路及成分也受到抑制，如线粒体核糖体、氧化磷酸化复合体IV、一碳叶酸代谢等。这些结果也说明在TCR激活时，mTORC1通过调控靶分子的转录水平、翻译水平、翻译后修饰水平来促进线粒体的功能。研究人员最后通过构建敲除小鼠模型及一系列功能实验证明，细胞色素c氧化酶COX10对线粒体复合体IV的功能和氧化磷酸化过程起着重要的调控作用，并且TCR激活时初始T细胞脱离静息状态、成熟T细胞介导免疫反应等过程都需要依赖于COX10。

总结：综上所述，结合高通量蛋白质组学及系统生物学研究手段，本文精确分析了抗原激活T细胞过程中全蛋白谱和磷酸化修饰谱的动态变化。通过生物信息学分析与功能验证实验，剖析了mTORC1(mTOR复合体1)及线粒体酶COX10对于调控线粒体功能、引发初始T细胞脱离静息状态、促进成熟T细胞发挥免疫效应等方面的重要作用。

参考文献：

Tan et al., Integrative Proteomics and Phosphoproteomics Profiling Reveals Dynamic Signaling Networks and Bioenergetics Pathways Underlying T Cell Activation. Immunity. 2017 Mar 21;46(3):488-503.

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