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调节性T细胞的前生今世

已有 242 次阅读 2025-12-2 21:24 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

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图片来自wikipiedia。

2025年诺贝尔生理学或医学奖花落三人:BrunkowRamsdellSakaguchi(坂口志文),理由是大约30年前,他们在外周免疫耐受中的重要发现。回顾这段历程,坂口的坚持、RamsdellBrunkow的幸运令人印象深刻。如果说坂口是“十年饮冰,难凉热血”的话,那RamsdellBrunkow就是“一朝试翼,直上青云”。尽管诺奖委员会的介绍顺序是从Brunkow开始,但显然坂口才是那个开宗立派的人。

坂口:起步

1951年,坂口出生于日本京都附近的滋贺县农村。他的母亲家族中有不少乡村医生,而父亲则是哲学专业毕业的高中教师。父母的背景以一种奇妙的方式融入了坂口的人生:他选择了学医,但受到深刻的哲学影响。

1978年,坂口在京都大学得到了医学学位并完成了住院医,借调到爱知癌症中心从事客座研究。在这里,坂口师从Yasuaki Nishizuka

在坂口来到的九年前也就是1969年,Nishizuka曾经在《科学》发表论文,发现了胸腺和卵巢的奇妙联系:新生小鼠实施胸腺切除术后,会导致卵巢发育停滞(睾丸不受影响),并引起雌性不育[1]

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Nishizuka得出结论说,胸腺具有新功能,可以控制雌性小鼠的生殖。由于背景是内分泌,Nishizuka一开始并未仔细思考过其他的可能性。但越来越多的证据表明,新生小鼠胸腺切除后引发的是免疫问题,尤其是自身免疫性疾病。

自身免疫性疾病常常是由免疫耐受的失衡导致的,包括人们熟知的糖尿病、牛皮癣、类风湿性关节炎等。免疫耐受分中枢免疫耐受和外周免疫耐受。前者在1960年就获得了诺贝尔生理学或医学奖,而人类对后者的认知正在此时酝酿。

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1960年诺奖得主。获奖原因:免疫耐受。

可能在最初,坂口就敏锐地意识到了Nishizuka实验其实指向免疫。坂口来到Nishizuka实验室后,做了两个实验。第一个实验中,坂口首先重复了实验,即新生小鼠实施胸腺切除术后,会导致卵巢发育停滞;但之后,坂口将卵巢发育停滞小鼠的脾脏T细胞分离,输注给裸鼠,结果诱发裸鼠卵巢发生类似的病变[2]

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第二个实验中,坂口则在重复经典胸腺切除模型后,给将会发展出卵巢发育停滞的小鼠输注健康小鼠T细胞,结果成功防止了小鼠的卵巢病变[3]

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很显然,坂口的这两个实验一阴一阳,从两方面分析了T细胞,并得到对T细胞的洞察。这种具有调节能力的T细胞隐隐指向两点:病理下的自身免疫性疾病,以及健康状态下的免疫耐受。这两个实验结果发表于1982年,当时坂口完成了客座研究,回到了京都大学,并在83年拿到了免疫学博士学位。

坂口:失落的十年

在另一方面,另一些人采用不同的方法也在研究T细胞,并建立了抑制性T细胞的概念。

1970年,耶鲁大学实验室发现,T细胞不仅增强免疫应答,还具有抑制作用,而且这种抑制作用的执行者不同于辅助性T细胞,因此被称为抑制性T细胞suppressor T cells[4]。这些发现可以直接和免疫耐受建立联系。人们甚至发现一类抑制性T细胞的表面标记,这类标记被命名为I-J。考虑到免疫耐受的重要性,抑制性T细胞引起众多人的追捧。

然而,到了1983年,情况发生了巨变。DNA测序的先驱通过测序发现,所谓的I-J分子并不存在[5],它们只是实验中的假象。这一发现极大地撼动了抑制性T细胞的基座。

就像倒洗澡水将婴儿也倒掉一样,随着I-J分子被证伪,整个T细胞抑制作用的研究也急转直下。不仅抑制性T细胞的相关论文越来越少,科研人员能获得的资助也被挤占。

覆巢之下,安有完卵?坂口也受到了影响。在82发表2篇文章,83年获得博士学位后。他回到京都大学,继续研究T细胞亚群,并发现了诱发自身免疫病的T细胞亚群、抑制自身免疫病的T细胞亚群[6]。这篇文章发表于1985年。但之后,抑制性T细胞相关的研究遭遇寒冬。

事情的恶化超出了坂口最悲观的想象。接下来,坂口经历了颠沛的十年。83年坂口志文赴美,并先后在约翰霍普金斯医学研究所、斯坦福大学从事博士后、访问学者,甚至拿到了美国斯克里普斯研究所助理教授的职位,但还是回到了日本。这10年的辗转却没有让坂口志文留下哪怕一篇学术论文。

坂口:“或跃在渊”

回到日本不久后的1995年,坂口志文凭借一篇论文,几乎重启了具有抑制免疫活性的T细胞的研究。

在这篇论文里,延续85年论文,坂口鉴定出了具有抑制免疫反应能力的T细胞的表面标志,即同时表达CD4CD25[7]。这篇文章到现在已经被引用了超过10000次,是表现出抑制性的T细胞领域最具影响力的文章之一。大概从这个时候起,调节性T细胞regulatory T cells)的概念浮出水面,并逐渐取代了抑制性T细胞的说法。

CD4CD25只是调节性T细胞的表面标记,这些特殊细胞内部隐藏着哪些秘密呢?事情以一种出乎意料的方式被解决,而这种方式涉及一种古老的实验动物。

BrunkowRamsdell:入局

在坂口发表论文的前一年(1994),BrunkowRamsdell双双加入位于美国华盛顿州的公司,名叫达尔文分子(Darwin Molecular)。

Brunkow出生于1961年,1983年(当时坂口拿到了免疫学博士学位)在华盛顿大学拿到分子与细胞生物学学士后,去了普林斯顿大学攻读分子生物学博士学位,并花了8年时间才毕业。

Ramsdell出生于1960年,同样在83年从加州大学圣地亚哥分校拿到生化与细胞生物学学士;但他只用了4年就从加州大学洛杉矶分校,微生物与免疫学专业博士毕业。

Brunkow的背景是转基因小鼠的基因表达和功能,Ramsdell的背景则是免疫。这种背景为后来两人的合作奠定了基础,也影响了后来两人事业的走向。

两人兜兜转转,1994年来到达尔文分子后,开始了合作。1997年,两人开始研究一种神秘的小鼠,Scurfy

Scurfy意为“有皮屑的”。这种小鼠有着漫长的历史。1947年,也就是美国在广岛、长崎投下原子弹后的两年,美国在橡树岭国家实验室成立了一个新部门,叫哺乳类遗传学实验室,专门研究放射性暴露对哺乳类的影响,并据此预测人类如何对放射性响应。作为曼哈顿计划的一部分,这个实验室代表了美国对二战后未来核战的研判。然而,讽刺的是,scurfy小鼠并非是实验的产物,而是自发突变的结果[8]

Scurfy小鼠的特征除了鳞屑,还有皱褶、双眼发红、脾脏及淋巴结肿大,并在出生后约三周左右早期死亡。Scurfy和免疫的联系似乎显而易见,但对scurfy的系统的免疫研究发生在44年后的1991[9]。考虑到Scurfy小鼠出生后三周左右就会死亡,这种小鼠品系的维持只能依赖携带者,相当不容易。

Scurfy小鼠的表型和那些T细胞不表达CTLA-4动物的表型很相似,这引起了BrunkowRamsdell的重视。CTLA-4是一种重要的免疫检查点分子,也是2014年诺贝尔生理学或医学奖的关键分子之一;而在1995年,BrunkowRamsdell刚好看到两篇介绍CTLA-4的文章[10,11]。于是在1997年,加入公司的3年后,二人展开了对Scurfy的研究,并致力于发现导致其疾病表型的关键基因。

BrunkowRamsdell:捞针

确定导致Scurfy表型的基因无异于大海捞针,并不容易。通过一系列遗传学操作,BrunkowRamsdell等人将可能的基因锁定在一个有50万碱基对的区域内,其中包含20个基因。

要想确定目标基因,最初的一步是找到发生突变的基因。也就是说,如果这20个基因中有哪一个在Scurfy小鼠和正常小鼠中不同,并且在Scurfy小鼠中发生了突变,那这就是可能的候选基因。经过测序,研究人员发现只有一个基因在Scurfy小鼠中发生了突变,而且是一个只有2bp的插入突变。这个基因就是后来命名的Foxp3

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来自诺贝尔奖官网。

Foxp320个基因中唯一的一个发生突变的基因。有趣的是,Foxp3也是BrunkowRamsdell等人检测的最后一个基因,不难想象他们在测序了19个基因后的失望与迷茫,以及最后找到Foxp3的兴奋与期盼。

下一步就是通过基因表达检测、基因功能补偿实验确认Foxp3是导致Scurfy的基因。结果没有更多的意外,Foxp3就是50多年前那个自发突变造成的Scurfy小鼠的罪魁祸首。

鉴定出Foxp3基因的文章发表于2001年,BrunkowRamsdell开始项目的4年后[12]

不仅如此,BrunkowRamsdell实验室还同时发现了Scurfy小鼠对应的人类相关疾病,并将该疾病的基因确认为人类的FOXP3基因[13,14]

坂口、BrunkowRudensky:竞争

BrunkowRamsdell的重磅文章最后指出,Scurfy是一个研究自免疫性疾病的很好的模型,并提出两个方向,一是Foxp3调控什么基因,二是Foxp3自身被什么调控。两者之中,显然第一个方向更加重要,也更急迫。很有可能在当时,两人就着手准备向这些方向进军了。

事实确实如此,2003年,Ramsdell发表文章,指出Foxp3调控的目标,就是坂口之前研究的CD4CD25双阳性的调节性T细胞[15]。在文章中,Ramsdell选择的不是Foxp3,而是他们给Foxp3基因编码的蛋白起的一个新名字,Scurfin,其实就是Scurfy相关蛋白的意思。然而,这同人们的基因、蛋白同名、前者斜体后者不斜体的惯例相矛盾。结果就是这篇文章的影响力受到很大影响。另外,此时Brunkow就慢慢淡出Foxp3研究了。

Ramsdell指出Foxp3调控CD4、CD25的文章仅用了2年,但Ramsdell还是迟了一步。坂口在得知Foxp3后,应该是立刻就开始了实验。在Ramsdell投稿前3个月,坂口就把文章投给了《科学》;在Ramsdell投稿前1个月,坂口的文章已经被接收了[16]

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引用次数截至2025年12月2日。

除了Ramsdell和坂口,另一位科学家也参与了这场角逐,这就是Alexander RudenskyRudensky是一名卓越的免疫学家,1993年开始就成为大名鼎鼎的霍华德休斯研究所的研究员。

Rudensky最初是抑制性T细胞的拥趸,并在2002年以抑制性T细胞为题发表了文章[17]。但仅仅1年后,他就从善如流地接受了调节性T细胞的概念[18]。也就是在2003Rudensky也加入到对Foxp3的研究中,并得到了和坂口、Ramsdell类似的结果[19]RudenskyRamsdell的文章在同一天投稿到同样的杂志,并最终在同一天见刊,可能是两人商量的结果:在坂口的文章于1个月前发表后,两人携手投稿对彼此都是最好的选择。然而,Rudensky的文章的题目更规范,并和坂口的文章非常相似,后来也有着类似的影响力,都远超Ramsdell的文章。

两种路线

回顾坂口、BrunkowRamsdell,他们其实是踏在相似的路线上。事实上,外周免疫研究存在着两条路线。

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第一条路线是从外向内的路径。1970年开始,一些科学家相信可能存在抑制性T细胞,并致力于鉴定出这种细胞。他们通过抗原处理作为重要的研究策略。第二种是从内到外的路径。一些科学家从自身免疫病出发,鉴定外周免疫耐受异常是怎么一回事。这条路径的自身免疫病模型主要有两个,一个是坂口使用的胸腺切除鼠,另一个则是Scurfy小鼠。

第一条路径在1983年后就受到了极大的影响,慢慢式微,抑制性T细胞成为一个历史上的曾用概念;第二条路径则在坂口的坚持下,从1995年开始逐渐加速,其中的两个模型更是在2003年后融合,逐渐成为免疫学领域的研究热点。

两个概念

抑制性T细胞和调节性T细胞其实在内涵上没有什么区别[20]。然而,两者对科研领域提供的情绪价值迥然不同。抑制性T细胞在某种意义上代表了一段不堪回首的往事,人们宁愿让它尘封。尽管在2000年后还偶有提及,事实上自1983年起抑制性T细胞就逐渐衰落了。调节性T细胞更像浴火重生的新路,情绪价值拉满,能让人放下包袱,奋力前行。从1995年坂口发表重要文献之后,调节性T细胞就获得日益增加的影响力。

坂口、BrunkowRamsdell

坂口是在逆势中坚守,并最终引领潮流的人。相比之下,BrunkowRamsdell更像是大潮中的幸运儿。

BrunkowRamsdell的成功很难复制,坂口的选择却人人可学。

坂口是怎么熬过那艰难的十年的呢?也许,从他的一段访谈中能看到些许端倪:

问:“做科学家有哪一点不好?”

(坂口)答:“最不好?就是很容易上瘾。你根本停不下来。”

问:“做科学家有哪一点最好?”

(坂口)答:“最好……”坂口想了一下,回答道,“最好的一点就是我根本不想停下来![21]

相关内容:

从杨振宁到沃森

为李政道先生说几句话

参考文献:

[1] Nishizuka, Y. and Sakakura, T., Thymus and reproduction: sex-linked dysgenesia of the gonad after neonatal thymectomy in mice. Science 1969. 166: 753755.

[2] Sakaguchi, S., Takahashi, T. and Nishizuka, Y., Study on cellular events in post-thymectomy autoimmune oophoritis in mice. II. Requirement of Lyt-1 cells in normal female mice for the prevention of oophoritis. J. Exp. Med. 1982. 156: 15771586.

[3] Sakaguchi, S., Takahashi, T. and Nishizuka, Y., Study on cellular events in postthymectomy autoimmune oophoritis in mice. I. Requirement of Lyt-1 effector cells for oocytes damage after adoptive transfer. J. Exp. Med. 1982. 156: 15651576.

[4] Gershon, R. K. and Kondo, K., Cell interactions in the induction of tolerance: the role of thymic lymphocytes. Immunology 1970. 18: 723–737.

[5] Kronenberg, M., Steinmetz, M., Kobori, J., Kraig, E., Kapp, J. A., Pierce, C. W., Sorensen, C. M. et al., RNA transcripts for I-J polypeptides are apparently not encoded between the I-A and I-E subregions of the murine major histocompatibility complex. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1983. 80: 57045708.

[6] Sakaguchi, S., Fukuma, K., Kuribayashi, K. and Masuda, T., Organ specific autoimmune diseases induced in mice by elimination of T-cell subset. I. Evidence for the active participation of T cells in natural self-tolerance: deficit of a T-cell subset as a possible cause of autoimmune disease. J. Exp. Med. 1985. 161: 7287.

[7] Sakaguchi, S., Sakaguchi, N., Asano, M., Itoh, M. and Toda, M., Immunologic tolerance maintained by activated T cells expressing IL-2 receptor a-chains (CD25): breakdown of a single mechanism of self-tolerance causes various autoimmune diseases. J. Immunol. 1995. 155: 11511164.

[8] Russell,W. L., Russell, L. B. & Gower, J. S. Exceptional inheritance of a sex-linked gene in the mouse explained on the basis that the X/O sexchromosome constitution is female. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1959. 45: 554–560.

[9] Godfrey,V., Wilkinson, J. E., Rinchik, E. M. & Russell, L. B. Fatal lymphoreticular disease in the scurfy (sf) mouse requires T cells that mature in a sf thymic environment: Potential model for thymic education. Proc. Natl Acad. Sci, USA. 1991. 88: 5528–5532.

[10] Tivol, E. A. et al. Loss of CTLA4 leads to massive lymphoproliferation and fatal multiorgan tissue destruction, revealing a critical negative regulatory role of CTLA4. Immunity 3, 541547 (1995).

[11] Waterhouse, P. et al. Lymphoproliferative disorders with early lethality in mice deficient in Ctla-4. Science 270, 985988 (1995).

[12] Brunkow, M. E., Jeffery, E. W., Hjerrild, K. A., Paeper, B., Clark, L. B., Yasayko, S. A., Wilkinson, J. E. et al., Disruption of a new forkhead/winged-helix protein, scurfin, results in the fatal lymphoproliferative disorder of the scurfy mouse. Nat. Genet. 2001. 27: 6873.

[13]Wildin, R. S., Ramsdell, F., Peake, J., Faravelli, F., Casanova, J. L., Buist, N., Levy-Lahad, E. et al., X-linked neonatal diabetes mellitus, enteropathy and endocrinopathy syndrome is the human equivalent of mouse scurfy. Nat. Genet. 2001. 27: 1820.

[14] Bennett, C. L., Christie, J., Ramsdell, F., Brunkow, M. E., Ferguson, P. J., Whitesell, L., Kelly, T. E. et al., The immune dysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X-linked syndrome (IPEX) is caused by mutations of FOXP3. Nat. Genet. 2001. 27: 2021.

[15] Khattri, R., Cox, T., Yasayko, S. A. and Ramsdell, F.An essential role for Scurfin in CD4+CD25+ T regulatory cells. Nat. Immunol. 2003. 4: 337342.

[16] Hori, S., Nomura, T. and Sakaguchi, S., Control of regulatory T cell development by the transcription factor Foxp3. Science 2003. 299: 10571061.

[17] Marc A Gavin, Sally R Clarke, Ella Negrou, Alena Gallegos, Alexander Rudensky. Homeostasis and anergy of CD4(+)CD25(+) suppressor T cells in vivo. Nat Immunol. 2002 Jan;3(1):33-41.

[18] Marc Gavin, Alexander Rudensky. Control of immune homeostasis by naturally arising regulatory CD4+ T cells. Curr Opin Immunol. 2003 Dec;15(6):690-6.

[19] Fontenot, J. D., Gavin, M. A. and Rudensky, A. Y.Foxp3 programs the development and function of CD4+CD25+ regulatory T cells. Nat. Immunol. 2003. 4: 330336.

[20] Shevach, E. M. CD4+ CD25+ suppressor T cells: more questions than answers. Nature Reviews Immunology, 2002, 2(6), 389-400.

[21]尼尔•卡纳万自愈之路[M]. 北京:三联书店, 2020.



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