效应T细胞尤其是辅助性CD4+T helper (Th)细胞的过度激活会导致自身免疫疾病的发生，比如攻击神经系统髓鞘的多发性硬化症(Multiples Sclerosis, MS)和攻击关节的类风湿性关节炎。研究发现以表达细胞因子IL-17(Interlukin-17)和转录因子RORgT为典型特征的Th17细胞促进组织炎症发生，并在宿主抵抗病原体及自身免疫疾病的发病中起到重要作用。

但后续的研究发现Th17细胞在分化和功能上具有两面性。它同样具有非致病性，参与免疫稳态维持和调节。细胞因子组合IL-1b+IL-6+IL-23可诱导致病性Th17 (Pathogenic Th17, pTh17)细胞的分化，而经典的TGF-b1+IL-6 能诱导非致病性Th17细胞(Non-pathogenic Th17, bTh17)的分化。

TGFb超家族包括了TGF-b、Activin、BMP、GDF等30多个成员。Activin-A与TGF-b1(Transforming Growth Factor beta 1) 都属于多功能性细胞因子。广泛参与细胞增殖、分化、发育和炎症调节等一系列生物学活动。有趣的是, pTh17细胞的分化不依赖TGFb1及其受体ALK5。然而TGFb家族相关分子及共享信号分子Smad2, Smad4, SKI参与调节Th17细胞的致病性。

前期研究发现Th17细胞相关的自身免疫疾病的病人分泌大量Activin-A，暗示Activin-A可能参与这些疾病的发生。不仅如此，Activin-A可在体外诱导IL-17的表达。然而Activin-A是否参与pTh17细胞的分化及其致病功能仍不清楚。鉴于Th17细胞在自身免疫疾病发生中的重要作用，对致病性Th17细胞如何产生以及Th17细胞两面性的深入研究将有助于Th17介导的自身免疫疾病的精准治疗。

此项研究发现自分泌的Activin-A-ALK4信号是致病性Th17细胞分化和功能所必需：

1）实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）是广泛应用的人类多发性硬化症的小鼠模型。相比健康对照组，多发性硬化症病人（MS）和EAE小鼠外周血中的Activin-A显著增加（图A, B）。进一步分离发病部位脊髓浸润的CD4+T细胞发现，Activin-A而非TGFb1在EAE小鼠中高表达，并与疾病严重程度呈正相关。与此同时，相比于TGFb1+IL-6诱导的bTh17，炎性条件IL-1b+IL-6+IL-23诱导的pTh17也分泌更多的Activin-A（图C）。

2）利用anti-Activin-A中和抗体封闭Activin-A、Activin-A天然拮抗因子Follistatin抑制Activin-A信号、shRNA knock-down T细胞中Activin-A的表达、CRISPR/Cas9-sgRNAs敲除 T细胞中的Activin-A多种手段都导致pTh17细胞分化水平显著降低、促炎性基因Csf2,Il23r表达减少而non-pathogenic的调节性基因 Cd5l,Il10大量升高。同时TGFb1+IL-6诱导的bTh17则不依赖Activin-A信号。表明T细胞表达的Activin-A是致病性 Th17细胞分化所必需。

3）利用T细胞过继转移诱导小鼠产生EAE的模型表明pTh17利用自表达的Activin-A促进小鼠自身免疫疾病的发生发展。接受Activin-A缺失的pTh17细胞的受体小鼠EAE疾病发病率、疾病严重程度、IL-17表达水平均显著低于对照组。

4）IL-6+Activin-A可在体外有效诱导Th17细胞的产生。利用RNA-seq技术作者进一步发现IL-6+Activin-A诱导的Th17（aTh17）在基因表达谱上与IL-1b+IL-6+IL-23诱导的pTh17十分相近，而显著区别于TGFb1+IL-6诱导的bTh17 (图D,E)。基因富集分析(Gene set enrichment assay, GSEA) 表明相较于bTh17细胞，致病性促炎相关基因谱在aTh17中显著富集 (图F)。而体内实验也证明aTh17细胞可有效促进EAE疾病的发生。

5）体内体外炎性条件下Activin-A的特异性受体ALK4显著升高。相反，TGFb1特异性受体ALK5的表达水平则明显降低。进一步实验表明ALK4维持Activin-A持续诱导Th17分化的能力。利用CRISPR/Cas9-sgRNAs敲除T细胞中ALK4证明ALK4是pTh17体外分化和体内诱导EAE疾病发生的必需分子。

6）作者继续构建了持续激活形式 (constitutively active form, CA)的ALK4和ALK5 (CA-ALK4 and CA-ALK5)替代Activin-A和TGFb1信号。结果表明CA-ALK4促进致病性Th17相关基因表达而CA-ALK5促使调节性因子IL-10的升高。体内过继转移CA-ALK4过表达的T细胞也证实CA-ALK4显著促进EAE疾病的发生。

7）致病性Th17和非致病性Th17的分化依赖Activin-A和TGFb1差异化调控下游ERK 信号的激活水平。相比于aTh17和pTh17中磷酸化ERK的高表达， bTh17细胞中磷酸化水平的ERK显著降低。而封闭ERK信号导致致病性Th17细胞相关促炎基因的降低和调节性因子的升高。

探索致病性Th17如何产生以及其与非致病性Th17区别分化背后的机理对于自身免疫疾病治疗十分重要。

该课题组在此项工作中，1）发现T细胞自反馈的Activin-A-ALK4信号特异性促进致病性Th17的分化和神经系统炎症。2）首次提出TGFb超家族通路分别控制致病性 vs 非致病性Th17的分子机制。3）揭示了ERK信号在诱导致病性Th17细胞中的重要作用。

综上所述，这项研究不仅为Th17细胞分化和功能两面性的调控带来崭新的认识，也为Th17相关自身免疫疾病的治疗提供新的特异性靶标。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.immuni.2020.12.010