FOXN1

引言 随着年龄的增长，胸腺会经历退化，导致组织萎缩、基质结构破坏、新生T细胞输出减少，最终对新抗原的响应能力下降【1】。胸腺对急性损伤（如压力、感染或癌症治疗）非常敏感，这些损伤会导致胸腺功能受损。尽管胸腺具有强大的再生能力，但这种能力随着年龄的增长而下降【2】。胸腺损伤后，胸腺的再生能力随着年龄的增长而下降，导致T细胞数量减少，这是移植相关发病率和死亡率的重要原因。最近的研究表明，胸腺上皮细胞 (TEC) 在年轻和老年小鼠以及人类中表现出显著的异质性【3-4】。但TEC 如何协调T细胞分化以及这些过程中的功能障碍如何与自身免疫和免疫缺陷相关目前尚不清楚。此外，目前关于胸腺萎缩和再生后损伤的机制仍然知之甚少。 近日，来自美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心的Marcel R. M. van den Brink研究团队、弗雷德·哈钦森癌症研究中心的Jarrod A. Dudakov研究团队以及沃尔特和伊丽莎·霍尔医学研究所的Daniel H. D. Gray研究团队合作在Nature Immunology杂志上发表题为Age-related epithelial defects limit thymic function and regeneration的研究论文，该研究项利用单细胞和空间转录组学、谱系追踪和高级成像技术，研究胸腺基质细胞中与年龄相关的变化，并确定胸腺萎缩和再生能力下降的潜在机制。 研究人员利用多种先进的实验技术，包括单细胞测序、空间转录组学、谱系追踪和高级成像，发现并定义了两种年龄相关的胸腺上皮细胞aaTECs（aaTEC1和aaTEC2）。这些细胞形成高密度的上皮细胞簇，缺乏胸腺细胞，表现出上皮-间质转化（EMT）的特征，并下调 FOXN1 表达。谱系追踪研究表明，aaTECs来自FOXN1阳性的上皮细胞。FOXN1是胸腺上皮谱系的关键调节因子，参与TEC的分化和功能维持。FOXN1表达的减少导致TEC向aaTECs分化，从而影响胸腺功能。 接着研究人员探索aaTECs与胸腺功能的关系。研究发现aaTECs吸收其他TECs的生长信号，包括成纤维细胞分泌的成纤维细胞生长因子（FGF）和骨形态发生蛋白（BMP）。这些生长信号对于TEC的增殖和分化至关重要，而aaTECs的出现导致这些信号无法到达其他TECs，从而抑制了胸腺细胞的发育和成熟。此外，aaTECs形成不支持胸腺细胞发育的微环境。它们缺乏表达重要的胸腺细胞发育因子，如DLL4、Psmb11、Kitl、Ccl25、Cxcl12和 Il7。这些因子对于胸腺细胞的增殖、分化和选择至关重要。因此，aaTECs的存在导致胸腺细胞发育停滞，进一步导致胸腺功能下降。 胸腺对急性损伤非常敏感，例如辐射和化疗。然而，胸腺也具有强大的再生能力。研究发现，急性损伤后，aaTECs会进一步扩张，这可能与胸腺再生途径的紊乱有关。aaTECs的扩张导致胸腺萎缩的修复缺陷，从而影响T细胞的重建和免疫功能。 除了 TECs 之外，胸腺衰老还涉及其他细胞类型的变化。研究发现，衰老导致间充质谱系细胞（如成纤维细胞）的增多，以及纤维母细胞中炎症老化程序的上调。这些变化可能也与 aaTECs的出现有关。 总之，该研究揭示了胸腺衰老的复杂机制，发现aaTECs的出现是导致胸腺功能下降和再生能力受损的关键因素。这些发现为开发改善老年人免疫功能的疗法提供了新的思路，并为深入理解胸腺衰老的机制奠定了基础。 参考文献 1. Granadier, D., Iovino, L., Kinsella, S. & Dudakov, J. A. Dynamics of thymus function and T cell receptor repertoire breadth in health and disease. Semin. Immunopathol. 43, 119–134 (2021). 2. Velardi, E., Tsai, J. J. & van den Brink, M. R. M. T cell regeneration after immunological injury. Nat. Rev. Immunol. 21, 277–291 (2021). 3. Baran-Gale, J. et al. Ageing compromises mouse thymus function and remodels epithelial cell differentiation. eLife (2020). 4. Dhalla, F. et al. Biologically indeterminate yet ordered promiscuous gene expression in single medullary thymic epithelial cells. EMBO J. (2019). https://www.nature.com/articles/s41590-024-01915-9 责编|探索君 排版|探索君 来源|BioArt End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

严重联合免疫缺陷(SCID)包括一系列遗传性疾病，导致免疫系统的严重恶化。在与SCID相关的关键基因中，RAG1和IL2RG起着至关重要的作用。IL2RG对于T、B和NK细胞的发育、分化和功能至关重要，而RAG1在淋巴细胞成熟过程中通过促进V(D)J重组而对适应性免疫起关键作用。携带这些基因突变的动物模型在其免疫系统中表现出明显的缺陷。非人灵长类动物(NHPs)是非常适合生物医学研究的模型，因为它们在遗传和生理上与人类相似。胞嘧啶碱基编辑器(CBEs)是精确、有效地修饰基因组中单碱基突变的有力工具。它们的成功应用已经在人类细胞、小鼠和作物物种中得到证实。2023年9月4日，暨南大学闫森及涂著池共同通讯在Signal Transduction and Targeted Therapy（IF=39）在线发表题为“Generation of inactivated IL2RG and RAG1 monkeys with severe combined immunodeficiency using base editing”的研究论文，该研究提出了一种使用CBE4max系统使IL2RG和RAG1基因失活来构建免疫缺陷猴模型的方法。经过碱基编辑的猴子表现出严重受损的免疫系统，其特征是淋巴细胞减少、淋巴样器官萎缩和成熟T细胞缺乏。此外，这些经过基因编辑的猴子能够承载和支持人类乳腺癌细胞的生长，从而导致肿瘤的形成。总之，该研究已经成功开发了一种免疫缺陷猴模型，该模型具有使用CBE4max系统促进肿瘤生长的能力。这些免疫缺陷猴子显示出作为推进生物医学和转化研究的宝贵工具的巨大潜力。严重联合免疫缺陷(SCIDs)包括一组遗传性疾病，严重破坏免疫系统的功能。这导致来自胸腺和骨髓的T细胞和B细胞的缺失或减少，导致细胞和体液适应性免疫受损。SCID的发病机制主要涉及由于嘌呤代谢缺陷、通过常见γ链依赖性细胞因子受体的信号传导异常、V(D) J重组异常以及前TCR/TCR信号传导缺陷导致的前体淋巴细胞过早死亡一些基因突变已被确定为SCIDs的诱因，包括MALT1、ZAP70、IL21R、FOXN1、CORO1A、RAG1/2、IL2RG、AK2、IKBK2、UNC119、LCK、TTC7A、CARD11和BCL10。其中，IL2RG，也被称为公共γ链，作为IL-21、IL-15、IL-9、IL-4和IL-7受体共有的IL-2受体的亚基。 IL2RG突变导致X连锁严重联合免疫缺陷(X-SCID)，这是最常见的SCID形式，占所有病例的50%。在X-SCID中，T和NK细胞缺失或明显减少，而B细胞表现出功能障碍，其数量正常或增加。另一个与SCID相关的基因是RAG1，它通过促进发育中的淋巴细胞V(D)J重组在适应性免疫中起关键作用RAG重组酶(RAG1/2)将可变(V)、多样性(D)和连接(J)基因片段随机组合，生成V(D)J外显子，编码T细胞受体和抗体的可变区。许多丧失功能的RAG1突变体已被确定为人类SCID的致病因素。这些突变体的特征是部分蛋白表达和T细胞和B细胞的有限产生，同时保持正常NK细胞的功能。免疫系统受损的动物可分为先天性突变引起的遗传免疫缺陷或通过生物技术方法人工诱导的遗传免疫缺陷。目前，有几种类型的遗传免疫缺陷动物模型，如小鼠、大鼠和猪。这些免疫缺陷动物在肿瘤学、干细胞治疗、免疫系统研究和传染病等领域有广泛的应用。人源化小动物模型在免疫肿瘤学研究中特别有价值，因为它们提供了临床转化的潜力。然而，针对具体情况准确选择合适的模型仍然具有挑战性。目前还不可能找到一种完全复制人类生物学所有方面的小鼠模型，而且一些SCID小鼠随着年龄的增长会出现“免疫泄漏”。这些“泄漏”导致小鼠产生少量功能性T细胞和B细胞，以及免疫球蛋白。SCID小鼠免疫泄漏背后的分子机制尚不清楚，目前还没有确定的诊断标准。非人灵长类动物(NHPs)在系统发育上与人类高度相关，在生理上有许多相似之处，包括免疫系统特征NHPs与人类在遗传和生理上的相似之处使它们成为生物医学研究的优秀模型。因此，建立免疫缺陷猴模型势在必行。碱基编辑猴的生成过程示意图（图源自Signal Transduction and Targeted Therapy）虽然CRISPR/Cas9有望用于治疗和生物学研究，但由于它依赖DNA双链断裂(DSBs)来促进基因编辑，因此引起了人们的担忧。CRISPR/Cas9诱导的DSBs可导致数千个碱基对的缺失，从而导致可能对有丝分裂活性细胞产生有害影响的基因型的产生。例如，当应用于人类多能干细胞时，CRISPR/Cas9可以诱导p53突变，限制了细胞替代疗法的可行性。此外，基因编辑的效率受到插入缺失突变的高频率的阻碍，在HEK293T细胞中，CRISPR介导的同源定向修复率仅达到38%。然而，大多数已知的遗传疾病主要是由单核苷酸多态性(SNPs)引起的。因此，需要能够在不引入DSBs的情况下特异性地修改目标位点上的单个碱基对的方法。碱基编辑器提供了可编程性和灵活性，消除了对DSBs的需求，克服了传统Cas9核酸酶在基因编辑中的局限性。胞嘧啶碱基编辑器(CBEs)具有胞嘧啶脱氨酶活性，已被有效地用于在包括人类、小鼠和作物在内的各种生物体的基因组中引入精确的单碱基突变。与CBE4相比，CBE4max系统是C-G到T-A转化的增强工具，已在小鼠模型中开发和验证，随后对哺乳动物物种进行了优化。该研究利用CBE4max系统在IL2RG和RAG1基因中引入特异性单核苷酸替代，成功实现了非人灵长类动物免疫缺陷模型的生成。碱基编辑过程导致被编辑猴子的免疫系统明显受损，表现为淋巴细胞减少、淋巴样器官萎缩和缺乏成熟T细胞。此外，研究人员观察到人类乳腺癌细胞在碱基编辑的猴子体内存活和增殖的显著能力。这些有免疫缺陷的猴子是临床前研究的宝贵工具，并弥合了小动物模型与人类之间的差距。它们的利用可以显著提高临床前研究的有效性，为抗癌药物的开发和再生医学领域的异源细胞或器官移植提供依据。文章来源“iNture”责编|文竞择校对|文竞择End往期精选围观历史性突破！不需卵子和精子就可以合成人类胚胎热文富豪用儿子血浆“回春”科学吗？Science：血液牛磺酸缺乏驱动衰老热文世界首例！35岁的她，通过机器人操刀移植的子宫，成功诞下宝宝热文为了避免心脏骤停，53岁的他成为“第一个”植入开创性除颤器的心脏病患者热文首次披露！175家生物制药公司的薪资数据：薪资中位数达20万美元点击“阅读原文”，了解更多~

胸腺对于功能性和自我耐受适应性免疫系统的建立至关重要，但它会随着我们年龄的增长而退化，导致幼稚T细胞输出减少。从人类多能干细胞 (hPSC) 生成功能性人类胸腺是一种有吸引力的再生策略。近日，来自佛罗里达大学的一项最新研究表明，目前已经能够使用多能干细胞制造支持患者特异性T细胞发育的胸腺类器官。该研究团队的概念验证工作为研究人类胸腺功能、T细胞发育和移植免疫提供了基础。这项研究题为“Generation of functional thymic organoids from human pluripotent stem cells”，发表在Stem Cell Reports杂志。来源：DOI:https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2023.02.013胸腺是功能性适应性免疫系统发育所必需的，它促进了能够对外来抗原作出反应的自我耐受性 T 细胞的产生。胸腺上皮细胞 (TEC) 根据其位置和功能分为皮质（c）和髓质细胞（m），可分别通过 KRT8和 KRT5的表达来识别。皮质和髓质细胞起源于常见的双能祖细胞，它们首先仅表达KRT8，然后在分叉成皮质和髓质谱系之前共表达两种角蛋白。与年龄相关的胸腺退化导致胸腺功能下降和幼稚 T 细胞输出以及自身免疫和疾病风险增加。胸腺功能障碍或缺失可由内在和外在因素引起，因此，研究胸腺功能不全和功能机制的实验模型系统是必要的，并且可以用于进一步开发基于细胞的胸腺缺陷治疗方法。最近，已经报道了诱导PSCs 定向分化为功能性胸腺上皮祖细胞 (TEPs)，后者在裸鼠移植后支持小鼠 T 细胞发育。虽然多个研究小组已经证明了TEPs与人类 iPSCs 的分化，但尚未实现功能性胸腺上皮细胞的体外生成。本项目研究团队结合了人多能干细胞衍生的TEP、造血祖细胞 (HPC) 和间充质细胞，以生成功能性同基因干细胞衍生的胸腺类器官(sTO)。胸腺类器官支持上皮细胞的发展，即使在没有造血祖细胞的情况下也具有此功能。重要的是，胸腺类器官支持 T 细胞发育，包括一些调节性 T 细胞 (Treg)。截止今日，该研究首次在体外展示了功能性 hPSC 衍生的胸腺上皮细胞的生成。hPSC衍生的胸腺上皮细胞是否可以在体外产生？研究人员在气液界面培养分化的第 16-30天胸腺上皮祖细胞培养物长达6周，并评估了胸腺上皮细胞的生成。来源：DOI:https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2023.02.013为了探究上皮黏附因子以及内吞受体等标记物如EPCAM、HLA-DR、CD205 和 FOXN1 相互之间的表达，研究人员利用t-随机邻域嵌入(tSNE)并观察GFP+簇内所有标记的表达，结果发现，即使没有造血祖细胞的情况下，胸腺类器官培养也能够促进TEP - to -TEC体外分化。 来源：DOI:https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2023.02.013胸腺上皮细胞通过阳性和阴性选择促进胸腺细胞发育。为了在体外确定胸腺上皮细胞的功能，研究人员建立了由等基因hPSC衍生的TEP、HPC和内脏间充质 (SM) 组成的多细胞胸腺类器官。来源：DOI:https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2023.02.013胸腺类器官的免疫荧光 (IF) 分析显示了KRT5 + mTEC 样细胞和 EPCAM/CD205 DP 细胞，表明胸腺类器官中的TEP-to-TEC的发展。来源：DOI:https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2023.02.013接下来研究人员研究了胸腺类器官是否可以在体外支持 T 细胞发育，评估了胸腺类器官中的T细胞相关标记物表达。结果发现，4 周后，CD45+细胞占类器官活细胞的约 44%。有趣的是，类器官中CD5 -原T细胞的比例显著增高，而早期胸腺祖细胞的比例相比较低。来源：DOI:https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2023.02.013胸腺能够对外界刺激做出反应从而激活自我耐受性T细胞，它是我们免疫系统发挥功能所必须的器官，但衰老过程会导致胸腺功能和T细胞产量下降，从而导致自身免疫和疾病风险增加。在这项新研究中，作者生成了功能性、患者特异性、干细胞来源的胸腺类器官，它支持胸腺上皮细胞和源自人多能干细胞 (hPSC) 的 T 细胞的发育。类器官由胸腺上皮祖细胞、造血祖细胞和间充质细胞组成，从相同的 hPSC 细胞系分化而来。在实验室中产生功能性 hPSC 衍生的胸腺上皮细胞是前所未有的。来自佛罗里达大学的该项目研究人员说：“我们已经为进一步的基础科学和转化研究建立了框架，以体外构建患者特异性类器官的方式来研究人类胸腺的发育和功能。” “预计我们的工作将为该领域提供重要的概念和技术进步。”参考文献：https://www.cell.com/stem-cell-reports/fulltext/S2213-6711(23)00060-7?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2213671123000607%3Fshowall%3Dtrue#secsectitle0055撰文 | Cathy编辑 | cici会议推荐点精彩推荐：1、科研压力山大怎么办？PLOS ONE：这种方法可以拯救你的不开心，有效减压缓解焦虑！2、为什么有人天生“路痴”？Nature：揭示大脑内部指南针工作机制，或有助于阿尔兹海默症的早期识别！3、节食减肥后体重反弹真不赖你！Cell 子刊：科学家发现驱动节食后体重恢复的神经回路，会让你更饿！4、重大发现！两篇Cell：揭示中性粒细胞在肿瘤免疫疗法中的重要作用，或为免疫疗法成败的关键！5、延缓痴呆新发现！《欧洲心脏杂志》：首次确定大脑中因高血压而受损的特定区域，降血压或成为延缓痴呆症的有效手段！‍‍