免疫节律（Immune rhythms）
文摘
科学
2023-12-30 12:06
上海
生物钟建立了大约以24小时为周期的节律，使生物体更好地准备生活环境中遇到定期的、反复发生的事件。免疫系统也不例外。它受到高度的昼夜节律调节，在稳态和激活都表现出 24 小时的节律性。明尼苏达大学癌症生物学和生物统计学Franz Halberg等，1960年首先在固有免疫系统中发现免疫节律（F. Halberg, E. A. Johnson, B. W. Brown, J. J. Bittner, Susceptibility rhythm to E. coli
endotoxin and bioassay. Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 103, 142–144 (1960).）。10 年后，又发现适应性免疫系统的组成有类似的时间依赖性
（G. Fernandes, F. Halberg, E. J. Yunis, R. A. Good, Circadian rhythmic plaque-forming cell
response ofspleens from mice immunized with SRBC. J. Immunol. 117, 962–966 (1976).）。我们现在知道免疫细胞迁移和功能都受生物钟的调节。哺乳动物血液中循环白细胞的数量，小鼠是白天达到峰值，人类是夜间达到峰值。（主要是发生在休息阶段，人和小鼠正好相反。）生物钟还调节白细胞在全身的迁移，从而有效地控制全天特定部位的白细胞数量。白细胞的活性高峰期与行为活跃期相一致（白天），以抵御社交或者生产生活中可能遭遇的病原体。昼夜节律维持方式的分子方式和复杂性因生物体而异。在哺乳动物中，核心生物钟机制由一个高度互连的转录因子系统组成，形成多个转录-翻译反馈回路，这些回路相互激活和抑制，从而在分子水平上驱动 24 小时节律 （J. S. Takahashi, Transcriptional architecture of the mammalian circadian clock. Nat. Rev.
Genet. 18, 164–179 (2017).）。![]()
生物钟基因网络Nat. Rev. Genet 2017
该网络通常称为核心时钟，由转录因子 BMAL1、CLOCK、PER1/2/3和 CRY1/2 组成。免疫系统中的大多数昼夜节律研究都集中在 BMAL1 的作用上，因为它是唯一缺失会消除节律性的时钟基因 。在免疫细胞类型中，巨噬细胞和单核细胞的昼夜节律是迄今为止研究最多的。在肺炎链球菌感染模型中，巨噬细胞的吞噬活性受 BMAL1 调节。巨噬细胞中 Bmal1 缺失，会改变肌动蛋白细胞骨架组织，并增强整体抗菌功能，因此 Bmal1 缺陷的巨噬细胞的吞噬功能会增强。BMAL1 是巨噬细胞形态和运动的强调节分子，影响巨噬细胞炎症状态的另一个关键因素是细胞代谢的昼夜节律调节。在IFN-g 和 LPS 刺激下，BMAL1 信号转导可调节 M1 巨噬细胞的线粒体代谢。![]()
最近的研究集中在时钟组件（尤其是 REV-ERBa）与炎症小体通路之间的联系。在小鼠和人巨噬细胞中，NLRP3（炎症小体的主要组分）在 REV-ERBa 的控制下以昼夜方式表 。NLRP3 调节腹膜中 IL-1 b和 IL-18 的表达和分泌，导致暴发性肝炎小鼠模型中时间依赖性疾病严重程度的变化。REV-ERBa 还可以调节巨噬细胞中细胞因子 IL-6 和CCL2 的表达，以及小胶质细胞中 CCL2 的表达，是生物钟抗炎作用的重要介质。在无菌巯基乙酸盐腹膜炎模型中，在感染单核细胞增生李斯特菌后，Ly6Chigh 炎性单核细胞募集到发炎部位时，经证明表现出昼夜变化，受髓系细胞-内在时钟调节。与ZT0（“上午”）感染的小鼠相比，在ZT8（“下午”）感染的小鼠对单核细胞增生李斯特菌细菌扩散的控制更好，细胞因子和趋化因子IL-1、bTNF-、aIFN-g和CCL2的水平增加。具有 Bmal1 缺陷的髓系细胞亚群的小鼠更容易感染单核细胞增生李斯特菌，显示出存活率降低和相同促炎细胞因子和趋化因子血浆增加
。血液中嗜中性粒细胞的数量随一天中的时间而波动，由 Bmal1控制。ChIP 检测表明，BMAL1 可直接与Cxcl2 启动子区域的 E-box 结合，该区域以CXCR2 依赖性方式控制中性粒细胞衰老。相反，CXCR4 可作为 CXCR2 诱导衰老的拮抗剂，有利于中性粒细胞清除和心血管系统的保护。尽管在稳态条件下，中性粒细胞仅占非造血组织中白细胞的一小部分，但据报道，中性粒细胞是造血干细胞生态位的重要调节分子，并可改变各种器官中的时钟基因表达 。中性粒细胞被证明以时间依赖性方式浸润小鼠肝脏，这由于中性粒细胞弹性蛋白酶
（NE） 分泌而改变肝细胞时钟，中性粒细胞在光照期在肝脏中达到峰值，在那里它们分泌弹性蛋白酶并激活肝细胞中的c-Jun N末端激酶（JNK）信号传导，最终触发Bmal1表达。树突状细胞 （DC）
是吞噬性抗原呈递细胞 （APC），它通过在远端部位收集抗原并将其呈递给免疫器官中的适应性免疫系统细胞，将先天免疫系统与适应性免疫系统直接联系起来。最近的一项研究发现，小鼠DC向皮肤传入淋巴管的迁移以有节奏的方式发生，在ZT7（“白天”）附近达到峰值，在ZT19（夜间）达到谷值。这种节律性迁移是由淋巴内皮细胞 （LEC） 上几种粘附分子和趋化因子的昼夜表达驱动的，例如 CCL21、LYVE-1、CD99 和JAM-A，以及 DC 表达的 CCR7。目前的数据表明，胸腺中的 T 细胞发育与生物钟无关，因为具有 BMAL1 内在缺失的 T 细胞在胸腺发育中没有缺陷 。与T细胞相比，B细胞的分化似乎依赖于分子时钟。完全 BMAL1 缺陷小鼠在 B 细胞发育中表现出部分阻滞，表现为 B220 高成熟 B 细胞的百分比显著降低，而 B220low 在总骨髓细胞中的百分比显著增加 。昼夜节律控制淋巴细胞在血液、淋巴（均在行为休息期达到峰值）和组织（在活动期开始前后达到峰值）之间的节律穿梭。到目前为止，已经确定了三种机制来解释这些日常迁移模式，它们可能共同控制着整体表型：1. 淋巴细胞和内皮细胞中的 BMAL1 活性 、2. 激活肾上腺素能受体 （AR） 3.激活交感神经系统。BMAL1 通过细胞内源性和细胞外源性手段控制淋巴细胞运输。T 细胞和 B 细胞中 BMAL1 的细胞内在表达，通过控制淋巴细胞中淋巴结归巢因子 CCR7 和出口因子 S1PR1 表达的昼夜节律。![]()
Immunity 2018
内皮 BMAL1 表达是内皮细胞中粘附分子细胞间粘附分子 -1 （ICAM-1） 和血管细胞粘附分子-1 （VCAM-1） 的昼夜节律蛋白表达所必需的，内皮细胞引导节律性淋巴细胞归巢到组织中。如果没有这些粘附受体的振荡表达，节律性组织募集就会丢失。因此，BMAL1 是外在的（通过内皮细胞），并且对于血液、淋巴和组织之间的正常淋巴细胞循环至关重要。适应性免疫细胞也显示出节律效应功能。T 细胞表现出时钟依赖性、节律性增殖 ，并在体外刺激后表现出振荡性 IFN-g 产生。几项研究表明，当淋巴结内细胞接近峰值时，在皮肤中遇到抗原，则会出现最强的适应性免疫反应，这在小鼠中发生在下午晚些时候和深夜之间。尽管适应性免疫反应有节奏，但不同的免疫途径可能是导致这些观察到的峰值反应时间出现变化。![]()
CD8+T细胞激活、扩增、细胞毒性的时间节律（ Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2019）T 细胞对抗原刺激反应的振荡至少部分是由于初始T 细胞在整个昼夜节律周期中对刺激做出反应的程度的节律变化。T 细胞疫苗接种反应的时间差异与 T 细胞受体 （TCR） 信号转导通路调节因子 mRNA 表达的振荡相关 。T 细胞活化的阳性调节因子（ZAP70、AKT 和磷脂酶 C–g）在白天达到峰值，此时载有 OVA 的 DC 疫苗接种产生最高的 T 细胞反应。相反，TCR 信号转导的负调节因子 [SHP1（小异二聚体伴侣 1）、CSK（C 末端 Src 激酶）以及 PTEN 磷酸酶和张力蛋白同源物] 在夜间达到峰值。这些数据表明，初始T细胞准备以一天中的时间依赖性方式对抗原做出反应，并与有节奏的DC运输和功能一起，有助于疫苗接种反应的振荡。B 细胞通过细胞内在的时钟驱动的 TLR9 蛋白表达表现出节律性效应应答。当小鼠在淋巴结B细胞上达到 TLR9 表达峰值时 [发生在ZT19（夜间）]时，当用 OVACpG（一种 TLR9 激动剂）刺激小鼠时，与 TLR9 表达较低时期的刺激相比，它们的细胞因子产生和增殖增加
。因此，这些相关数据表明，与T细胞类似，B细胞也可能以昼夜节律方式表现出强烈的效应反应。节律效应功能也会影响自身免疫性疾病的严重程度。在皮肤中， T 细胞中 IL-23 受体 （IL-23R）
的节律性 mRNA 表达gd与咪喹莫特 诱导的小鼠皮肤银屑病严重程度相关
。G. B. Kitchen, P. S. Cunningham, T. M. Poolman, M. Iqbal, R. Maidstone, M. Baxter,
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Post-transcriptional circadian regulation in macrophages organizes temporally distinct
immunometabolic states. Genome Res. 31, 171–185 (2021).W. He, S. Holtkamp, S. M. Hergenhan, K. Kraus, A. de Juan, J. Weber, P. Bradfield,
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to vaccination and the rhythmicity of related signaling pathways. Proc. Natl. Acad. Sci.
U.S.A. 116, 20077–20086 (2019)
