撰文 | Qi

#免疫#系統的獨特之處在於它不是固定在體內的單個器官上，而是由遍佈全身、高度遷移的不同細胞類型組成，必須與身體其他穩態器官系統保持協調。不同的細胞表面蛋白陣列將免疫細胞組織成相互連接的網，既用於信號通信，也用於結構粘附。因此，免疫受體幾乎調節細胞活化的所有階段，並被視為各種穩態和病理過程的關鍵介質。由於這些原因，以及它們對全身給藥藥物的可及性，免疫表面蛋白及其相互作用是特別有吸引力的治療靶點。

儘管涉及分泌蛋白的相互作用網絡已經被系統地編目【1, 2】，但在免疫系統中，更普遍地是在現有的蛋白質相互作用數據庫中，細胞表面蛋白之間的相互作用仍然存在大量不足。此外，許多具有臨床意義的免疫受體被視為“孤兒”，儘管在某些情況下進行了數十年的研究，但它們的生理配體仍未被發現。因此，如果沒有系統地瞭解連接免疫細胞的物理相互作用，目前任何產生真正系統級免疫功能視圖的努力充其量只能是拼湊。

2022年8月3日，來自英國維康桑格研究所的Gavin J. Wright團隊在Nature雜誌上發表了一篇題為 A physical wiring diagram for the human immune system 的文章，他們使用高通量表面受體篩選方法，系統地繪製了跨重組文庫的直接蛋白質相互作用圖。獨立驗證並確定了每一種新型相互作用的生物物理參數，從而對連接人類免疫細胞的受體佈線有一個高可信度和定量的視圖。通過將相互作用組與表達數據相結合，確定了免疫相互作用動力學的趨勢，並構建了一個數學模型，從基本原理預測細胞連通性。他們還開發了一個交互式多組織單細胞圖譜，可以推斷整個身體的免疫相互作用，揭示多細胞網絡中新相互作用和樞紐的潛在功能環境。此外，他們還將人類白細胞的靶向蛋白質刺激與多重高內涵顯微鏡相結合，將受體相互作用與功能作用相聯繫。總之，這項工作為人類免疫系統的細胞間佈線提供了一個系統的視角，可能為治療干預提供機會。

為了能夠在接近全細胞表面蛋白質組尺度上系統地調查免疫細胞之間的表面蛋白相互作用，作者首先開發了一種優化方法——可擴展的陣列多價細胞外相互作用篩選（SAVEXIS）來測試所有可能配對的重組表面蛋白的二元相互作用。每個表達構建體的設計都經過定製以適應蛋白質的結構類別，有六種不同的定製設計用於功能表達不同的受體拓撲結構和多組分複合物（圖1）。根據已發表文獻數據，此篩選確定了28個新的相互作用，包含孤兒免疫檢查點受體VISTA的內源性非腫瘤配體，非經典MHC分子HLA-E和HLA-F。

圖1. SAVEXIS能高效高通量篩選重組細胞外結構域之間的蛋白質結合相互作用（a）；630種蛋白質的泛白細胞文庫中白細胞表面蛋白的不同結構的架構。

為了驗證這些發現，每個交互都通過正交方法進行評估：1）測試了在用編碼受體的cDNA轉染後在人體細胞表面時蛋白質與互補受體的結合；2）兩輪表面等離子共振（SPR）以表徵直接結合。隨後，作者將SPR數據中測量的結合親和力與文獻數據相結合組裝成為一個系統的物理相互作用網絡及一個獨特的定量網絡（圖2）。作者將這種定量受體相互作用網絡與白細胞中的蛋白質組學表達相結合，以深入瞭解整個免疫系統的結合動力學模式，發現了諸如與樹突狀細胞相比，循環T淋巴細胞在與B細胞配對時表現出對更高親和力受體的微妙偏好等現象。隨後，作者將定量蛋白質組學表達、結合動力學和公佈的細胞參數進行整合構建了一個數學模型，以總結單個蛋白質相互作用對給定細胞相互作用的貢獻。

圖2. 免疫細胞表面蛋白的定量相互作用組。

他們所創建的圖集可以從這一網站中獲得（https://www.sanger.ac.uk/tool/immune-interaction/immune-interaction），範圍從總結不同組織免疫群體的整體細胞連接性到推斷細胞-細胞對能夠進行特定的受體相互作用。通過這個系統的多器官圖譜，可以確定免疫受體相互作用是通過共享結構進行還是在組織之間是不同的。那麼這一方法是否可以告知免疫細胞之間的物理作用如何在疾病中發生變化呢？於是作者在圖譜中合併了成對的患病樣本和參考樣本，觀察到諸如吞噬細胞群體在腎腫瘤微環境中細胞間接觸的變化情況等。隨後，作者採用一種通過高內涵顯微鏡測量白細胞活化和細胞相互作用表型的方法以反映研究中所包含的廣泛的互作和白細胞亞型，通過4小時和24小時成像以測量細胞間相互作用和每種蛋白質引發的活化細胞比例的變化，發現一組新鑑定的相互作用因子引發多種反應包括由以前的孤兒TNFRSF21以及粘附蛋白CHL1和CD320促進NK細胞活化的泛化T細胞激活等。

總之，這項工作提供了細胞表面蛋白的系統和定量視圖，這些蛋白使免疫細胞能夠動態連接它們的相互作用。這裡開創的用於免疫系統的綜合方法為未來的其他系統研究提供了框架，最終可能能夠將單個蛋白質分子連接到多細胞行為。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05028-x

參考文獻

1. von Hundelshausen, P. et al. Chemokine interactome mapping enables tailored intervention in acute and chronic inflammation. Sci. Transl. Med. 9, eaah6650 (2017).

2. Lin, H. et al. Discovery of a cytokine and its receptor by functional screening of the extracellular proteome. Science 320, 807–811 (2008).