Cell | 人免疫转录因子T-bet的遗传缺陷揭示抵抗分枝杆菌的新免疫学机制

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人是结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis)的唯一自然宿主【1】。在人类历史中，结核分枝杆菌导致了超过十亿人的死亡【2】，是导致死亡人数最多的感染性疾病，西方将结核称为“白色瘟疫” （white plague）【3】。当人初次接触结核菌时，个体反应存在巨大差异。大约5-10%的初次接触者会出现临床症状（原发性结核），85%会进入结核潜伏期（潜伏性结核 - 感染了结核，但尚不发病），大约5-10%则对结核感染天然免疫 【4】。大约10-20%的原发性结核患者会有严重的全身多器官感染甚至死亡。在如今的21世纪，人类依然被“白色瘟疫”所困扰，全球大约有四分之一到三分之一的人口患有潜伏性结核【5】。只有在大约5-10%的潜伏性结核患者中，结核菌会在他一生的某个阶段苏醒，产生临床症状，而剩余的90%人则会“幸运”的隐性携带一生且不受其困扰【4】。美国纽约的洛克菲勒大学的Jean-Laurent Casanova教授和法国Institut Imagine的Laurent Abel教授，在过去的二十五年一直在试图理解结核病的个体差异性。

他们通过人类遗传学的方法研究一个结核的“兄弟”疾病 - 遗传性分枝杆菌易感综合征(mendelian susceptibility to mycobacterial disease，MSMD) 【6,7】 。MSMD是一组以对微弱毒力的分枝杆菌(结核分枝杆菌、卡介苗、非典型的或非结核性的分枝杆菌)和沙门菌易感为特点的原发性免疫缺陷病(primary immunodeficiency diseases，PID)。MSMD在人群中发病率比较低(1/50,000 - 1/100,000)，并且往往以家族性的形式发病，有明显的遗传学特征。Casanova和Abel教授相信，通过研究MSMD这种罕见病，可以找到分枝杆菌易感（包括结核分枝杆菌）或者结核个体差异的遗传因素，而确定有效控制分枝杆菌的免疫学机制。在过去的二十五年，位于十六个基因的罕见突变被证明可导致MSMD。这十六个基因有明显的遗传异质性(genetic heterogeneity)和等位基因异质性（allelic heterogeneity)，但是都属于同一个免疫通路：白介素12/23-γ干扰素 (IL-12/23-IFN-γ)的免疫通路【6,7】。但是他们只解释了大约50%的MSMD病人，还有50%MSMD病人的发病机制（尤其他们的遗传学的因素）尚不明确。

图1

2020年12月8日，Casanova教授和杨睿博士（共同通讯和第一作者）团队在Cell上发表了文章Human T-bet Governs Innate and Innate-like Adaptive IFN-γ Immunity against Mycobacteria，报道了一个新的MSMD病例，病人在接种卡介苗（毒力弱的活BCG疫苗）以后出现了典型的局部淋巴结感染以及后来发展到了全身多系统弥散性卡介苗感染【8】。通过全外显子测序等方法，本文作者发现了一个位于TBX21基因的纯合子插入缺失突变(in-del mutation)。通过体外过表达实验和对于病人血细胞转化细胞系的研究，作者们证明了病人有常染色体隐性完全T-bet基因缺陷病 (autosomal recessive complete human T-bet deficiency)。T-bet所调控的γ干扰素合成以及下游基因的染色质可及性(chromatin accessibility)在病人细胞里面完全丧失。

TBX21编码了一个重要的免疫转录因子（T-bet）。自从2000年被Laurie H. Glimcher组发现以来，T-bet转录因子被广泛的研究【9,10】。T-bet是调控1型辅助T细胞（TH1）的最重要的转录因子。后来，T-bet被发现也在先天免疫系统 (innate immunity)和先天样淋巴细胞(innate-like adaptive lymphocytes)起到关键作用。但是，几乎所有的研究都局限于T-bet基因敲除小鼠模型。T-bet在人体的作用，大多是来自基于小鼠实验模型的数据的推断，却没有被在人体被直接研究过。

作者们通过对病人外周血细胞详细的研究，发现先天免疫系统的自然杀伤细胞(natural killer cell, NK)和先天免疫细胞中的不变性自然杀伤T细胞(invariant NKT, iNKT)，人体粘黏膜相关恒定T细胞(mucosal-associated invariant T cell, MAIT)和Vδ2 γδT淋巴细胞的发育和成熟存在明显的缺陷。其中NK，iNKT和Vδ2 γδT淋巴细胞在卡介苗体外感染的时候有明显的 γ干扰素的合成障碍。令人意外的是，尽管T-bet在过去20年被证明主要在传统的CD4+ 和 CD8+ T淋巴细胞产生作用，病人的CD4+ 和 CD8+ T淋巴细胞似乎保留了完好的针对分枝杆菌的免疫功能。

图2

该文不但在人体证实了小鼠中二十年以来的关于T-bet的部分重要发现，也发现了一些跟敲除小鼠中不一致或者之前未知的新结论：1. T-bet在MAIT和Vδ2 γδT淋巴细胞的发育和成熟中起重要作用；2. T-bet决定了NK, iNKT, MAIT, Vδ2 γδT的 γ干扰素的正常合成; 3.尽管T-bet敲除小鼠在实验模型中对于超过20多种病原体易感，人T-bet免疫缺陷患者对于除了分枝杆菌以外的病原体感染保持了正常的反应；4.最后出乎意料的，T-bet在传统的CD4+ 和 CD8+ T淋巴细胞的作用似乎是“冗余”的。

随着更多的新的高通量免疫表型分析的出现和免疫学研究方法的进步，通过遗传学的方法直接研究人体免疫学能帮助我们解决动物模型的局限性，并且理解跟人体疾病更相关的科学问题【11】。同时，或许有更多甚至所有的重症的感染性疾病都跟先天免疫缺陷有关，具体地说，至少一部分因为感染不幸死亡的患者可能是因为携带先天的跟免疫相关的基因缺陷(inborn errors of immunity) 【12-14】。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.046

参考文献

1. Gagneux S. Host-pathogen coevolution in human tuberculosis. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2012 Mar 19;367(1590):850-9. doi: 10.1098/rstb.2011.0316. PMID: 22312052; PMCID: PMC3267123.

2. Boisson-Dupuis S. The monogenic basis of human tuberculosis. Hum Genet. 2020 Jun;139(6-7):1001-1009. doi: 10.1007/s00439-020-02126-6. Epub 2020 Feb 13. PMID: 32055999; PMCID: PMC7275886.

3. Dubos R, Dubos J. The White Plague: Tuberculosis, Man and Society. Boston; Little, Brown & Co., 1952, p. 7, 10, 13-14, 70-73, 91, 98, 203.

4. Abel L, El-Baghdadi J, Bousfiha AA, Casanova JL, Schurr E. Human genetics of tuberculosis: a long and winding road. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2014 May 12;369(1645):20130428. doi: 10.1098/rstb.2013.0428. PMID: 24821915; PMCID: PMC4024222.

5. Global tuberculosis report 2020. WHO. ISBN 978-92-4-001313-1 (electronic version)

6. Bustamante J. Mendelian susceptibility to mycobacterial disease: recent discoveries. Hum Genet. 2020 Jun;139(6-7):993-1000. doi: 10.1007/s00439-020-02120-y. Epub 2020 Feb 5. PMID: 32025907; PMCID: PMC7275902.

7. Kerner G, Rosain J, Guérin A, Al-Khabaz A, Oleaga-Quintas C, Rapaport F, Massaad MJ, Ding JY, Khan T, Ali FA, Rahman M, Deswarte C, Martinez-Barricarte R, Geha RS, Jeanne-Julien V, Garcia D, Chi CY, Yang R, Roynard M, Fleckenstein B, Rozenberg F, Boisson-Dupuis S, Ku CL, Seeleuthner Y, Béziat V, Marr N, Abel L, Al-Herz W, Casanova JL, Bustamante J. Inherited human IFN-γ deficiency underlies mycobacterial disease. J Clin Invest. 2020 Jun 1;130(6):3158-3171. doi: 10.1172/JCI135460. PMID: 32163377; PMCID: PMC7260033.

8. Yang et al. Human T-bet governs innate and innate-like adaptive IFN-γ immunity agaisnt Mycobacteria. Cell. 2020

9. Szabo, S.J., Kim, S.T., Costa, G.L., Zhang, X., Fathman, C.G., and Glimcher, L.H. (2000). A novel transcription factor, T-bet, directs Th1 lineage commit- ment. Cell 100, 655–669.

10. Szabo, S.J., Sullivan, B.M., Stemmann, C., Satoskar, A.R., Sleckman, B.P., and Glimcher, L.H. (2002). Distinct effects of T-bet in TH1 lineage commitment and IFN-gamma production in CD4 and CD8 T cells. Science 295, 338–342.

11. Davis MM, Brodin P. Rebooting Human Immunology. Annu Rev Immunol. 2018 Apr 26;36:843-864. doi: 10.1146/annurev-immunol-042617-053206. Epub 2018 Feb 28. PMID: 29490162; PMCID: PMC6677260.

12. Notarangelo LD, Bacchetta R, Casanova JL, Su HC. Human inborn errors of immunity: An expanding universe. Sci Immunol. 2020 Jul 10;5(49):eabb1662. doi: 10.1126/sciimmunol.abb1662. PMID: 32651211; PMCID: PMC7647049.

13. Casanova, JL., Abel, L. The human genetic determinism of life-threatening infectious diseases: genetic heterogeneity and physiological homogeneity?. Hum Genet 139, 681–694 (2020). https://doi.org/10.1007/s00439-020-02184-w

14. Casanova JL, Abel L. Lethal Infectious Diseases as Inborn Errors of Immunity: Toward a Synthesis of the Germ and Genetic Theories. Annu Rev Pathol. 2020 Apr 14. doi: 10.1146/annurev-pathol-031920-101429. Epub ahead of print. PMID: 32289233.

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