7月20日，國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）陳劍峰研究組和同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/附屬養(yǎng)志康復(fù)醫(yī)院林昶東課題組的最新合作研究成果“Ca2+ transients on the T cell surface trigger rapid integrin activation in a timescale of seconds”。該工作首次揭示了T細(xì)胞表面整合素αLβ2的在體快速活化機(jī)制，并提出了趨化因子介導(dǎo)整合素激活的“兩階段模型”，更新了人們對淋巴細(xì)胞定向歸巢機(jī)制的認(rèn)知。
淋巴細(xì)胞從血液到淋巴器官和炎癥組織的歸巢對免疫監(jiān)視和宿主防御至關(guān)重要。這一過程涉及一個高度有序的級聯(lián)粘附事件，包括選擇素介導(dǎo)的淋巴細(xì)胞沿著高內(nèi)皮小靜脈（high endothelial venules, HEVs）壁的滾動粘附、整合素的激活及其介導(dǎo)的淋巴細(xì)胞在血管內(nèi)皮表面的穩(wěn)定粘附和跨血管內(nèi)皮遷移。在受到淋巴細(xì)胞歸巢靶點部位趨化因子的刺激下，淋巴細(xì)胞表面的整合素（如αLβ2）被激活，使得淋巴細(xì)胞從滾動粘附轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定粘附，從而在特定血管靶點部位遷移滲出。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，趨化因子與其在淋巴細(xì)胞上的GPCR受體結(jié)合誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Rap1-RIAM信號的傳遞，隨后促進(jìn)Talin與整合素β亞基胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的結(jié)合，最終介導(dǎo)整合素激活，這一過程相對緩慢，通常需要幾分鐘時間。考慮到淋巴細(xì)胞歸巢過程中在毛細(xì)血管小靜脈中以30-100 μm/s的相對高速滾動，為了確保淋巴細(xì)胞歸巢位點的準(zhǔn)確性，整合素需要更快的激活機(jī)制來介導(dǎo)淋巴細(xì)胞滾動的快速停止。
整合素是一種金屬蛋白，其功能嚴(yán)格依賴于生理上存在于血清中游離的毫摩爾水平的Ca2+和Mg2+。陳劍峰團(tuán)隊的前期研究表明，Ca2+通過與整合素β亞基I結(jié)構(gòu)域中ADMIDAS金屬離子結(jié)合位點，使整合素保持低活性狀態(tài)，并且去除細(xì)胞外Ca2+可誘導(dǎo)整合素在數(shù)秒內(nèi)快速激活。盡管該現(xiàn)象已經(jīng)在體外實驗中被發(fā)現(xiàn)了二十多年，但一直沒有證據(jù)表明這種機(jī)制可以在體內(nèi)發(fā)揮作用，因為血液中Ca2+濃度相對穩(wěn)定。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，趨化因子（如CCL25）與其對應(yīng)受體（如CCR9）結(jié)合時，可以通過SOCE（store-operated calcium entry）和CRAC（calcium-release activated calcium）方式誘導(dǎo)Ca2+快速內(nèi)流。因此，該研究提出了趨化因子通過觸發(fā)細(xì)胞鈣內(nèi)流引起細(xì)胞表面微環(huán)境Ca2+快速下降，從而引起整合素快速活化的假設(shè)。
在這項研究中，研究人員首先在體外分別搭建了實時監(jiān)測T細(xì)胞近膜端外側(cè)Ca2+濃度（[Ca2+]ex）的CEPIAexternal（calcium-measuring organelle-entrapped protein indicator）系統(tǒng)，以及通過檢測整合素αLβ2兩個亞基之間的距離反應(yīng)整合素激活的FRET（fluorescence resonance energy transfer）系統(tǒng)。隨后，研究人員構(gòu)建了在T細(xì)胞中同時表達(dá)這兩套系統(tǒng)的小鼠模型（R26-LSL-CEPIAexternal;Itgal-LSL-Clover;Itgb2-LSL-mRuby2;CD4-Cre mice）。通過分離的T細(xì)胞進(jìn)行體外實驗以及活體成像實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)趨化因子CCL25誘導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流導(dǎo)致T細(xì)胞表面的[Ca2+]ex在6秒內(nèi)從生理濃度1.2 mM迅速下降到0.3 mM，這是誘導(dǎo)整合素αLβ2激活的臨界Ca2+閾值，并在28秒內(nèi)進(jìn)一步下降到最低水平0.09 mM，αLβ2的?亞基I結(jié)構(gòu)域的金屬離子結(jié)合位點與Ca2+的解離介導(dǎo)αLβ2第一階段的“快速激活”，T細(xì)胞實現(xiàn)由滾動粘附向穩(wěn)定粘附的迅速轉(zhuǎn)化。隨后，在數(shù)分鐘內(nèi)，通過經(jīng)典的由內(nèi)向外信號通路介導(dǎo)αLβ2第二階段的“慢速激活”，進(jìn)一步促進(jìn)了T細(xì)胞穩(wěn)定粘附和跨血管內(nèi)皮遷移。Talin敲低顯著抑制了αLβ2的“慢速激活”，但不影響[Ca2+]ex下降觸發(fā)的“快速激活”。在咪喹莫特誘導(dǎo)的小鼠銀屑病模型中，通過小分子抑制劑SKF96365阻斷T細(xì)胞Ca2+內(nèi)流可顯著抑制T細(xì)胞在炎癥血管內(nèi)皮部位由滾動粘附向穩(wěn)定粘附的轉(zhuǎn)變及其向炎癥皮膚部位的歸巢，從而減輕小鼠皮膚炎癥。
該研究結(jié)果首次揭示了T細(xì)胞整合素αLβ2的在體快速活化機(jī)制，直接證明了趨化因子通過誘導(dǎo)T細(xì)胞表面Ca2+瞬時降低來實現(xiàn)整合素在數(shù)秒內(nèi)被快速激活；并提出了趨化因子介導(dǎo)整合素激活的“兩階段模型”。該研究成果填補了領(lǐng)域內(nèi)趨化因子初始刺激和傳統(tǒng)認(rèn)為的整合素相對緩慢的由內(nèi)向外激活之間的空白，更新了人們對淋巴細(xì)胞定向歸巢機(jī)制的認(rèn)知。這種機(jī)制使淋巴細(xì)胞在血管內(nèi)皮表面滾動時對遇到的趨化因子等刺激迅速作出反應(yīng)，停止快速滾動并最終實現(xiàn)向炎癥感染部位的精準(zhǔn)定位。阻斷免疫細(xì)胞的Ca2+內(nèi)流可能是在涉及異常免疫細(xì)胞運輸?shù)牟±磉^程中調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞歸巢的新策略。
分子細(xì)胞卓越中心李悅博士、王詩慧博士后、張有華博士和同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/附屬養(yǎng)志康復(fù)醫(yī)院林昶東研究員為該文共同第一作者，陳劍峰研究員和林昶東研究員為該文共同通訊作者。該研究得到分子細(xì)胞卓越中心葛高翔研究員和曾藝研究員的指導(dǎo)和幫助。該研究獲得國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國博士后科學(xué)基金、博士后創(chuàng)新人才支持計劃、上海市科委和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金和干細(xì)胞與轉(zhuǎn)化IV類高峰學(xué)科等項目的基金支持，并獲得分子細(xì)胞卓越中心細(xì)胞分析技術(shù)平臺和動物實驗技術(shù)平臺的大力支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50464-0
趨化因子通過觸發(fā)T細(xì)胞Ca2+內(nèi)流快速激活整合素保證T細(xì)胞定向歸巢
