时间让人看清一切，对免疫系统也是如此

免疫学家们确认了一个由来已久的直觉：T细胞靠计算结合时长来知道什么属于自身，什么属于外界。

JORDANA CEPELEWICZ

IMMUNOLOGY 免疫学

为了成功抵御入侵身体的生物，我们的免疫系统必须又快又准地辨别自身和非自身的细胞[1]。这看起来可能简单直接，但实际上却很难做到。负责这个任务的主要是T细胞：这是一些在表皮上嵌有大量特定受体的白细胞，每种受体都能独一无二地与某种肽片段¹结合。一旦受体与肽片段结合，T细胞就能发动一次有针对性的攻击。

“它们要在如此大量的自身肽中分辨出鲜少的（外来）肽，这简直如同大海捞针。”加州大学旧金山分校的生化学家奥利昂·韦纳（Orion Weiner）说，“这个任务所要求的特异性和敏感度，都是在挑战物理规则所给定的上限。”

¹译者注：肽片段，即peptide fragments。入侵身体的生物含有独特的蛋白质，而这些蛋白质能被树突细胞（dendritic cells）等免疫细胞吞噬并分解，最后的产物即肽片段。这些片段可以被呈现在某些免疫细胞的细胞膜上，以供T细胞进行识别。

图中显示的是电子显微镜下的一种叫“T淋巴细胞”的白细胞。它们有能与特定目标分子结合的受体。新研究发现：这个结合过程的时长，对于辨别自身的和入侵病原体的蛋白质是必须的。

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图片来源：QuantaMagazine

但有一个问题：在发育阶段，人体会随机生产出成千上万个装备了不同受体的T细胞——这是免疫系统布满防范，为形色各异、千奇百怪的（外来）肽所做的准备。但是，在这些肽中，有很多都是人体本身的必要成分。因此，大部分能对自身分子产生免疫反应的T细胞都会在发育过程中被清除²，而剩下的那些T细胞则会永久地进入循环系统，在不伤害到人体的情况下，清理被感染的和非正常的细胞。也就是说：这个系统拥有自己的监督机制。

免疫学研究里的一个中心问题，就是这些T细胞分辨自身（应该置之不理的）和非自身的（应该积极反应的）细胞的机制。

如今，研究人员似乎已经找到了一个确定的答案。2019年四月发布于《eLife》的一对实验[2]，证实了一个从上世纪90年代开始渐渐取得支持的理论[3]。这个理论的重点在于对时机的把控：与T细胞受体的结合时长少于5秒的物质即被视为“安全的”，而结合时长更长的分子则会被放入“毁灭队列”。韦纳说：“（这些）细胞能将极小的结合时长差放大，以发动一个大很多的细胞反应。”

²译者注：负向选择（negative selection），即在T细胞位于胸腺的发育过程中，对自身抗原产生免疫反应的T细胞会启动细胞凋亡，从而不会出现在成熟的T细胞群落中。

— David Marchal

动力学校对理论

这个叫做“动力学校对”（kinetic proofreading）的理论建立（并得名）于几十年前[4]。它阐明了核糖体用正确的氨基酸序列来生产蛋白链的机制：只有当相关的细胞结构之间的结合时长达到一个关键阈值时，一个氨基酸才能被加到当前的蛋白链中。科学家们已经完全理清了这个基于时间的校对程序里的所有步骤。

但是，T细胞版的动力学校对程序就没那么明了了。长久以来，我们都没办法确认T细胞中是否也存在动力学校对：对动力学校对猜想的测试，呈现了在结合时长与T细胞活性之间的相关性，这一点和动力学校对的预测相符；但这些测试方式都无法将结合时长的影响，与诸如分子结构改变和结合强度之类的生物物理学因素完全分开。此外，研究人员还知道，有很多他们不能测量、甚至从未考虑过的潜在影响因素。

但这个难题如今已被解开。分别由位于旧金山的韦纳和位于德国弗莱堡大学（University of Freiburg）的免疫学家沃尔夫冈·沙梅尔（Wolfgang Schamel）带领的两个组，各自用一个新设计的系统提供了（T细胞动力学校对）的确定性证据。

两个组都使用了光遗传学技术——这项技术用光来控制细胞。通常，光遗传学技术会被用来刺激或沉默经过了基因编辑的光敏神经元，但在最近的十年，“人们开始用光敏蛋白来做很多不同的事情，比如控制蛋白质之间的相互作用。我把这个叫做‘细胞光遗传学’”。生物学家钱德拉·塔克（Chandra Tucker）说。

新的研究首次将光遗传学技术应用到了T细胞上——而且针对的是T细胞的表面，而非内部活动。有一对特殊的植物蛋白会在光照下互相结合，而沙梅尔等人就利用了这一点。他们让一个T细胞受体呈现出其中一个蛋白，再用另一个蛋白去与它结合。只要对细胞施以光照，即可控制T细胞受体（与蛋白）结合的时长——这个方法终于让研究人员们能够选择性地控制结合时长。（这项成就本身是极其艰涩的：为了让这套系统正常运行，他们经历了好几年的反复试错，专业的猜测和实验，还用上了特制的仪器。）

韦纳和道格·蒂舍尔（他的一名研究生）则利用了另一对光敏植物蛋白和一个去掉了多余部分的、非自然存在的T细胞受体。他们的方法中的许多其他部分也和沙梅尔的不一样，但不管怎样，他们都控制住了除了结合时长之外的所有变量³。

³译者注：考虑到“控制除了结合时长之外的所有变量”几乎是一个不可能的任务（尤其在生物实验里），译者认为作者在这句中夸大了事实情况。

令人惊讶的是：两个组取得了相同的结果。他们发现：当且仅当一个结合事件的时长超过大约5秒时，这个T细胞才会被激活。“某种程度上来说，”加州大学伯克利分校的化学家杰伊·格罗夫斯（ Jay Groves）说道，“整个T细胞受体信号级联网络就像一个小小的化学计算机，能够测量结合时长。除此之外，这个网络还是一个单分子感受器。”

这个过程之所以能够成功，是由于在发育早期时，免疫系统会经历一段所谓的“训练期”：未成熟的T细胞会接受身体里所有自身分子的洗礼；如果一个T细胞与任何这样的分子的结合时长超过5秒，这个细胞就会被清除。这样，剩下的T细胞就只会与它们从未见过的分子长期结合，也正是这些T细胞构成了身体的免疫系统。

— Farid Ghanbari

延迟启动

虽然细胞测量结合时长的机制仍不为我们所知，但是专家们对发生的事情已经有了大致的概念：从一个T细胞受体与一个分子结合的那一瞬间开始，细胞必须被一系列不可逆的生化反应激活。如果这个分子在信号级连的运行过程中脱离过早，那么一切又要被推翻重来。包括韦纳、沙梅尔和格罗夫斯在内的研究人员们，还在尝试阐明这些中间步骤，并弄清每个步骤在T细胞的结合时长的测量能力中扮演了什么角色。

然而， 经过蒂舍尔和韦纳简化的T细胞实验给出了一个早期却惊人的线索：结合时长并非从目标分子和T细胞受体结合的瞬间开始计算，而是有一个还未被确定的短暂停顿。

这项发现还需要活体T细胞系统的验证，而且一些研究人员还持有各自的保留意见（例如格罗夫斯，就认为信号级联中的多个层级会同时计算结合时长，而T细胞受体则会协助这个过程）。但如果这是真的，“（依然）会非常奇怪”，沙梅尔说。

他对这项发现仍抱有质疑的态度：“这个结果非常令人困惑和惊讶，因为我们一直认为，结合时长的计算是从第一个事件（分子与受体结合）开始的。但（这项结果表明）不是这样的，对时长的计算会延迟启动。”

韦纳补充道：“我们曾经认为，最可能成为动力学校对的机理的那一步，貌似并不是最重要的一步。”与之不同，信号级联中离结合处更远的、发生时间更晚的那些步骤似乎更重要。对他来说，这项结果表示，“分辨自身和非自身，是展开的信号级联网络的一个特性……并提出了‘T细胞受体在这个过程中究竟扮演什么角色’的有趣问题。”

当然，T细胞的激活机制中，还有很多谜团需要解决。在发表于《科学》的一篇论文中，格罗夫斯等人填补了其中的一些机理空白[5]。免疫学家罗纳尔德·日耳曼（Ronald Germain）指出，沙梅尔和韦纳的研究也需要和目前正在进行中的一些专注于特定类型的互相作用的研究整合。

至于将来，研究人员们认为他们的实验方式能展现分子动力学在许多过程中的作用——从细胞形态的调控到基因表达。这种实验方式也可能引导我们发现潜在的免疫疗法，也可能阐明免疫系统攻击自身细胞或无法对侵入者作出反应所造成疾病的原理。

拓展阅读：

[1] 自身/非自身问题的一些基本概念：https://www.khanacademy.org/science/high-school-biology/hs-human-body-systems/hs-the-immune-system/v/self-versus-non-self.
[2] Tischer & Weiner. (2019). ‘Light-based tuning of ligand half-life supports kinetic proofreading model of T cell signaling’. Retrieved from: https://elifesciences.org/articles/42498.
[3] McKeithan. (1995). ‘Kinetic proofreading in T-cell receptor signal transduction’. Retrieved from: https://www.pnas.org/content/92/11/5042.long.
[4] Hopfield. (1974). ‘Kinetic Proofreading: A New Mechanism for Reducing Errors in Biosynthetic Processes Requiring High Specificity’. Retrieved from: https://www.pnas.org/content/71/10/4135.
[5] Huang et al. (2019). ‘A molecular assembly phase transition and kinetic proofreading modulate Ras activation by SOS’. Retrieved from: https://science.sciencemag.org/content/363/6431/1098.

翻译：阿莫東森

审校：子铭

编辑：兔毛

https://www.quantamagazine.org/immune-cells-measure-time-to-identify-foreign-proteins-20190603/

Jordana Cepelewicz

Quanta杂志的生物学撰稿人，同时给Nautilus和Scientific American提供数学、神经科学及其他学科稿件。

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