劉萬里研究組在《科學免疫學》發(fā)文報道PIP2 代謝環(huán)路增強受體跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的新機制
2017年11月18日，清華大學生命學院劉萬里研究組在《科學》旗下免疫學子刊《科學○免疫學》(Science Immunology)期刊在線發(fā)表了題為《源自磷脂酰肌醇4,5-二磷酸的正反饋環(huán)路持續(xù)性驅(qū)動B細胞免疫活化》(A PIP2 derived amplification loop fuels the sustained initiation of B cell activation)的研究論文。報道B細胞免疫突觸中具有時空特異性的PIP2水解與再生代謝作用形成的正反饋環(huán)路(feed forward loop)，強勁地促進抗原受體(BCR)跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細胞活化的新機制，為相關(guān)疾病研究提供了新的理論依據(jù)。
B淋巴細胞作為抗體免疫應(yīng)答過程中的重要參與者，守衛(wèi)著人類的健康，其免疫活化是啟動體液免疫反應(yīng)的關(guān)鍵步驟。B細胞的免疫活化在其質(zhì)膜表面BCR識別抗原后快速啟動，具有高度的瞬時性和動態(tài)性特點，一直是免疫學領(lǐng)域的研究難點和熱點。BCR識別抗原后寡聚化形成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)微簇體，聚集在抗原刺激極性界面，形成免疫突觸，構(gòu)成免疫活化連續(xù)性觸發(fā)平臺，負責跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及抗原攫取。在體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中，B細胞可能遇到抗原稀少，且抗原的理化性質(zhì)多樣的狀況，這需要B細胞具備高效的跨膜信號機制以及胞內(nèi)信號調(diào)控放大機制來促使免疫活化的最大化; 除此之外，PIP2作為細胞膜上的稀有脂類，其消耗后的再生途徑，以及如何影響B(tài)細胞活化都缺乏研究。該論文利用基因修飾細胞系、小鼠原代B細胞、人外周血B細胞和免疫缺陷疾病相關(guān)突變體等實驗材料結(jié)合多種脂類活細胞適用性的生物指示器和基于全內(nèi)反射、共聚焦熒光顯微鏡的高速高分辨率成像系統(tǒng)，對免疫突觸內(nèi)PIP2代謝產(chǎn)物的時空分布，及其調(diào)控B淋巴細胞免疫活化的分子機制進行詳細的研究。
劉萬里課題組的研究者們發(fā)現(xiàn)B細胞活化后PIP2在B細胞免疫突觸中的含量不降反升，并且表現(xiàn)出在BCR信號微簇體內(nèi)消減而在微簇體外部增加的特點。他們進一步發(fā)現(xiàn)在抗原識別后，BCR微簇體內(nèi)磷脂酶PLCγ2水解PIP2，而在BCR微簇體外發(fā)生磷脂酰肌醇4-酸5-激酶(PIP5K)催化的PIP2再生，從而形成BCR微簇體內(nèi)部的PIP2的低密度和外部的PIP2高密度的密度勢差。接下來，研究者們探索微簇體內(nèi)PIP2的密度衰減信號如何傳遞到微簇體外，進而指導(dǎo)PIP2在其外部的再生。經(jīng)過高速高分辨率的單分子成像實驗，他們發(fā)現(xiàn)該信號傳遞是通過一系列PIP2代謝產(chǎn)物形成的正反饋環(huán)路來實現(xiàn)的: BCR微簇體內(nèi)部PIP2水解后產(chǎn)生的二酰甘油(DAG)快速擴散至BCR微簇體之外，被主要存在于微簇體外部的二酰甘油激酶DGKζ轉(zhuǎn)化為PA, PA進一步招募和促進PIP5K到微簇體外部催化PIP2再生; 介導(dǎo)PIP2水解和再生代謝環(huán)路的分子機器在BCR微簇體內(nèi)外的差異性時空分布, 確保PIP2在BCR微簇體內(nèi)外的密度梯度勢差。
為了研究PIP2密度勢差的生物學功能，劉萬里課題組的研究者們設(shè)計靶向定位于微簇體內(nèi)部或者外部，并且可誘導(dǎo)PIP2消減或者合成的操縱系統(tǒng)。通過對PIP2代謝的局部區(qū)域性操縱，他們揭示BCR微簇體內(nèi)外的PIP2密度梯度勢差對B淋巴細胞的高效性免疫活化具有重要意義。最后，研究者們驗證了該發(fā)現(xiàn)的生理意義，他們發(fā)現(xiàn)PLCγ2缺陷型B細胞在外源性表達來自PLCγ2相關(guān)免疫缺陷和功能失調(diào)疾病(PLAID)病人的PLCγ2突變體后，則該PIP2代謝過程形成的正反饋環(huán)路在低溫下異常性亢奮，揭示這可能是導(dǎo)致罹患該疾病病人的B細胞免疫活化異常的潛在原因。綜上所述，這項研究成果為B淋巴細胞的免疫識別、免疫活化和免疫調(diào)節(jié)研究提供了新的研究思路，幫助人們進一步理解免疫缺陷疾病，從而對探索相關(guān)疾病的致病機理, 以及藥物疫苗研發(fā)等工作提供新的理論依據(jù)。
劉萬里課題組一直致力于使用新型的高速高分辨率的活細胞單分子熒光成像技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的分子免疫學、生物化學和生物物理學研究手段，對B淋巴細胞的免疫活化及相關(guān)疾病的分子機制進行研究。繼該課題組2015年在《Nature Communications》和《eLife》, 2016年在《PNAS》和《Journal of Experimental Medicine》, 2017年在《eLife》和《Cell Reports》, 以及在《The Journal of Immunology》(2013, 2014和2017年)發(fā)表一系列論文報道淋巴細胞免疫活化的細胞生物學研究后，這一新成果是他們對該領(lǐng)域的新貢獻。
劉萬里研究員為本文的通訊作者，清華大學生命科學學院博士生許晨光為本文的第一作者。本研究需要整合分子免疫學、細胞生物學、生物化學、高精度活細胞成像和生物物理學等不同學科的交叉優(yōu)勢。在研究過程中得到了中科院上海生物化學與細胞生物學研究所許琛琦教授、清華大學醫(yī)學院祁海教授、清華大學化學系劉磊教授和清華大學生命學院龔海鵬教授等的大力支持。該研究得到國家自然科學基金委、科技部以及清華大學免疫學研究所的支持。
?論文鏈接：http://immunology.sciencemag.org/content/2/17/eaan0787
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