免疫细胞之间的相互作用

直接观测组织中细胞间的相互作用仍然不完全理解，因为检测这些作用所需的先进技术仍在起步阶段。一种新的方法能够大规模破译细胞间的相互作用。

在活体组织中，数百万个细胞在几分之一秒内相互通信。这些动态的细胞间互动是如何协调的呢？Nakandakari-Higa等人在《自然》杂志上发表文章，介绍了一种称为通用LIPSTIC（uLIPSTIC）的方法，该方法提供了一种解决免疫系统细胞间短暂互动调查挑战的途径。这项技术也可用于研究其他类型细胞间的互动。

在疾病期间，全身通过释放称为细胞因子的免疫信号蛋白发生显著的分子对话。一组空间分布的免疫细胞将这些信号转化并驱动宿主防御反应。有效的免疫系统行动需要大量相互作用的细胞类型精确协调。在某些情况下，这些互动包括免疫细胞之间的物理接触。这样的接触在这些细胞界面产生称为免疫突触的分子复合物，这对于对有害病原体的反应是必需的。

尽管26年多前的实验首次确定了两个相互作用细胞表面上免疫突触的位置，但仍有几个问题有待回答。特别是，身体中的免疫应答多样性是如何通过细胞之间极其特异且短暂的互动产生的？

类似于免疫突触的这种特殊接触在其他组织中相互作用的细胞类型之间也存在。正在开发越来越多的工具来研究各种器官中的细胞通信，这些方法结合了多种技术，如高通量基因组学、基于接近的酶标记、微流控和生物信息学。但是，这些方法都不适合解决免疫细胞这种矛盾的通信场景，它们既倾向于在细胞表面接触，又频繁地进行细胞更替。

为了找到前进的道路，Nakandakari-Higa等人利用了同一团队先前开发的一种称为LIPSTIC（“通过排序标签标记免疫伙伴关系”）的技术。这种方法利用了两种分子之间的低亲和力互动：供体细胞表面的细菌酶SrtA；以及其目标，受体细胞表面上的五个甘氨酸氨基酸残基（G5）。SrtA催化肽底物——连接到一个称为生物素的分子标签——转移到G5，这是受体细胞表面蛋白质的一部分（图1）。

图1 | 追踪细胞间直接物理互动的方法。a, Nakandakari-Higa等人提出了一种称为uLIPSTIC的方法，用于识别紧密接近的细胞。作者改造了小鼠，使选定谱系的“供体”细胞表达一种工程化的膜结合酶SrtA。SrtA可以催化一种将带有生物素分子标签的肽与五个甘氨酸氨基酸残基（称为G5）连接的互动。G5附着在被设计为“受体”细胞的细胞谱系的膜蛋白上。b, 如果供体和受体细胞紧密接触，这种互动会产生可以通过生物素标签识别的标记受体细胞。c, 这种方法具有广泛潜力，用于识别不同类型细胞在各种组织之间的互动。作者在小鼠中识别了各种类型的免疫细胞和肠细胞之间的这些互动。

 Interactions between immune cells recorded (yyttgd.top)

用生物素标记的细胞被认为是与供体细胞发生了互动，因为肽底物只能从表达SrtA的细胞转移到表达G5的细胞，当局部肽底物浓度足够高以至于通常低亲和力的SrtA和G5之间的互动发生时。免疫突触处的物理接触满足这一标准，因为估计细胞膜之间的距离约为15纳米——如此小的距离使得细胞之间的任何肽底物数量相对较丰富，从而增加了转移的可能性。然而，原始的LIPSTIC方法仅限于在免疫突触处表达特定蛋白质（CD40和CD40L）的细胞。使用更通用的方法来追踪细胞间的接触可能提供了一种解决免疫学中更广泛问题的途径。

为了开发这种方法，Nakandakari-Higa等人对小鼠进行了改造，使得LIPSTIC系统中的SrtA和G5组分以互斥的方式表达，即表达G5的细胞不表达SrtA，反之亦然。在一种普遍表达改造过的G5标记蛋白且不表达SrtA的工程小鼠中，所有细胞都不“捐赠”肽底物，这表明在没有SrtA的情况下，生物素标签不会转移到G5上。通过在小鼠中使用复杂的基因工程方法，Nakandakari-Higa和同事随后能够赋予特定细胞谱系供体状态，并撤销受体状态，使他们能够绘制仅由狭义定义的细胞类别进行的细胞接触图谱。与原始LIPSTIC系统相比，该系统中的SrtA和G5与CD40和CD40L蛋白结合，uLIPSTIC通过将这些组分与定位于细胞表面的蛋白质小片段结合，产生了膜结合形式的SrtA和G5。原则上，uLIPSTIC可以应用于任何发生表面蛋白相互作用的细胞接触。

作者们首先通过回到免疫突触处明确定义的相互作用，作为系统的概念验证，证明了uLIPSTIC检测到的相互作用具有生理相关性。通过修改免疫系统的T细胞，使其只针对一种肽抗原（驱动免疫反应的蛋白质片段），作者们展示了uLIPSTIC在免疫突触处检测到的相互作用仅限于能够识别该抗原的细胞。关键的是，干扰构成免疫突触组织的基础关键分子意味着uLIPSTIC不再能够检测到这些突触处的抗原特异性相互作用。

Nakandakari-Higa和同事还展示了uLIPSTIC可用于研究免疫系统中不同细胞激活状态下细胞通信的空间和时间动态问题。例如，作者使用uLIPSTIC确定了一类称为调节性T细胞的相对稀有免疫细胞亚群的相互作用，这类细胞在免疫抑制中起作用。这表明uLIPSTIC甚至可以检测到特殊细胞群体中的相互作用。作者还分析了在空间和时间上受限并启动抗体产生的细胞间相互作用。这些结果识别了已知的细胞伙伴，它们启动了抗体生成过程，从而证明uLIPSTIC捕捉到了与短暂的局部细胞间通信相关的相互作用。

为了突破uLIPSTIC的限制并全面研究免疫系统细胞间的通信，Nakandakari-Higa等人将他们的方法与单细胞RNA测序相结合，这是一种高通量的基因组技术，可在单细胞水平提供细胞状态信息。作者通过测量uLIPSTIC转移的生物素在细胞表面的水平，评估了从供体细胞到受体细胞的肽转移规模，然后将uLIPSTIC信号与单细胞RNA测序评估的基因表达相关联。这种方法提供了对控制最强细胞间相互作用的分子机制的洞见，这些在常规分析中是无法识别的。通过分析肠道中以及病毒感染期间的免疫细胞相互作用，uLIPSTIC在单细胞水平揭示了不同类别的免疫细胞之间，甚至与肠道中相邻的非免疫细胞之间的相互作用，表明这种方法可用于多种组织。

uLIPSTIC将如何塑造细胞间通信领域的前沿？一方面，作者已经证明了这项技术在组织、细胞类型和免疫挑战方面的广泛用途，这说明了uLIPSTIC捕捉生物学相关的一系列细胞相互作用的能力。另一方面，细胞接触在多大程度上必须模仿免疫突触的特征——例如相互作用细胞之间的距离或涉及的分子机制——才能被uLIPSTIC捕捉，这仍然不清楚。

尽管如此，Nakandakari-Higa和同事的数据表明，这个工具在各种细胞中具有普遍的使用潜力。作为这一点的证据，作者在健康小鼠的大脑免疫细胞中检测到了由SrtA表达的供体准备转移的大量uLIPSTIC生物素信号。在缺乏致病因子的动物中，不仅免疫突触的特征不存在，而且形成免疫突触的分子机制仅以低水平表达。此外，大脑中物理连接细胞之间的距离范围（大约3-40纳米）与免疫突触中观察到的距离（约15纳米）不同。

这些发现表明，uLIPSTIC可能会被其他研究领域广泛采用。因此，uLIPSTIC成为推进免疫系统及其他领域细胞间通信研究的标准化工具，存在着令人兴奋的可能性。