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Cell(IF 64.5):美国科学家首次揭示JAK1在感觉神经元中的免疫调节作用
2024-02-01

JAK1是人体内的一种重要蛋白质,支持细胞通讯并控制免疫系统。控制JAK1的活性对某些癌症及类风湿性关节炎等疾病的治疗很重要。目前,美国FDA批准了多种JAK1抑制剂用于治疗湿疹,但没有一种抑制剂获批用于哮喘,而且多种吸入性JAK1抑制剂在临床试验中均以失败告终。由此可见,人们需要深入了解JAK信号传导在各个器官中的组织特异性作用。

 

II型细胞因子主要依赖下游的JAK1信号传导来促进过敏性炎症。然而,目前对JAK抑制的了解大多来自于造血系统。JAK1信号传导在基质细胞(如上皮细胞和成纤维细胞)中发挥何种作用,人们的了解还很有限。深入了解JAK1信号传导在组织和细胞中的特异性作用,才能更好地治疗哮喘等过敏性疾病。

 

近日,西奈山伊坎医学院的研究人员利用小鼠模型揭示了迷走感觉神经元中的JAK1在调节神经肽表达和神经炎症中的作用,而这种作用以前未被发现。这项研究成果于2024年1月4日发表在《Cell》杂志上,有望帮助人们进一步优化治疗性JAK抑制剂,从而在未来加强精准医疗。

 

图片来源:《Cell》

(https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.027)

 

研究材料与方法

在这项研究中,研究人员使用了多个小鼠模型,包括C57BL/6野生型小鼠、适应性淋巴细胞缺陷的Rag1-/-小鼠等。其中,JAK1GoF小鼠和Jak1STOPflox-JAK1 GoF小鼠由赛业生物构建。他们通过鼻腔注射链格孢菌诱导了过敏性肺部炎症,并通过组织病理学评估肺部的病理变化。他们还分析了迷走神经元中多种神经肽的表达,以及它们如何受JAK1的影响。

 

技术路线

1. 构建JAK1GoF小鼠,用人类JAK1 GoF突变取代小鼠Jak1基因

2. 开展气道过敏原挑战实验,发现JAK1GoF可抑制过敏原诱导的肺部炎症

3. 通过一系列实验证实迷走感觉神经元中的Jak1表达是肺部免疫稳态所必需的

4. JAK1调节神经肽CGRPβ的水平,而CGRPβ可抑制ILC2功能和过敏性肺部炎症

5. 将人类JAK1 GoF插入感觉神经元可抑制小鼠的过敏性肺部炎症

 

研究结果

JAK1 GoF突变不会导致肺部的自发性过敏性炎症

2017年,不列颠哥伦比亚大学的Stuart Turvey首次报告了携带生殖系JAK1功能获得突变(GoF)的患者,Turvey教授也是本文的作者之一。这些患者表现出多种过敏性疾病,包括湿疹、哮喘和严重的嗜酸性粒细胞增多。于是,研究人员对两名患者的临床症状进行了仔细检查。他们发现,这两名患者出现湿疹的时间明显早于哮喘,而且湿疹普遍比哮喘更严重,这表明JAK1在多个组织中的激活会导致不同的组织特异性结果。

 

为了研究JAK1的组织特异性影响,研究人员委托赛业生物构建了一个小鼠品系(JAK1GoF,其中小鼠Jak1基因被人类JAK1 GoF突变所取代。他们发现,JAK1GoF小鼠在出生后不久就会出现湿疹的症状,而对照组小鼠没有。令人惊讶的是,与皮肤状态不同,JAK1GoF小鼠的肺部与对照组小鼠相比并没有出现明显的炎症病变。基于此,他们提出一种假设,即肺部对JAK1介导的炎症具有抵抗力,而皮肤却没有。

 

基质中的JAK1GoF可抑制过敏原诱导的肺部炎症

接下来,研究人员开展了气道过敏原挑战实验,看看是否会引起炎症反应增强。他们用哮喘相关的真菌过敏原链格孢菌(Alternaria alternata)对JAK1GoF小鼠和对照小鼠进行了鼻腔处理。组织病理学分析表明,与对照组相比,JAK1GoF小鼠的肺部病理变化增强,表现为过敏原刺激后的气道重塑、炎症浸润、杯状细胞增生和粘液分泌增加。这些结果表明,尽管JAK1全面激活不会导致肺部的自发性过敏性炎症,但过敏原的刺激会使JAK1GoF小鼠更容易出现某些过敏性病理特征。

 

考虑到肺部在稳态时对JAK1介导的炎症有抵抗力,研究人员假设肺部基质中的JAK1激活可能会赋予组织特异性的抵抗力。为了验证这一点,他们将野生型小鼠的骨髓转移至野生型小鼠和JAK1GoF小鼠体内,生成了骨髓嵌合体小鼠(WT→WT和WT→JAK1GoF)(图1)。与WT→WT小鼠相比,WT→JAK1GoF小鼠在过敏原刺激时的肺部病理变化明显减少,II型固有淋巴细胞(ILC2)和嗜酸性粒细胞的频率也显著下降。令人惊讶的是,RNA测序数据的KEGG通路分析表明,WT→JAK1GoF小鼠中哮喘和炎症相关通路的表达明显受到抑制。这些意外的结果表明JAK1GoF的基质表达赋予了小鼠对肺部炎症的抵抗力。

 

图1 JAK1GoF的基质表达对过敏性肺部炎症具有保护作用[1]

 

感觉神经元中的JAK1调节肺部炎症和神经肽水平

最近有报道称,感觉神经元可以抑制肺部炎症,于是研究人员假设,感觉神经元通过JAK1信号传导介导了一个关键的调控回路。他们利用TRPV1激动剂树脂毒素(resiniferatoxin)来处理表达TRPV1的神经元,以去除神经支配。在皮下注射树脂毒素后,小鼠丧失了痛觉。令人惊讶的是,在去除神经支配后,小鼠支气管周围和血管周围的炎症浸润、杯状细胞增生和粘液分泌增加,且ILC2和嗜酸性粒细胞的频率也显著升高。在进一步分析后,他们发现迷走感觉神经元对过敏性肺部炎症起着关键的抑制作用。

 

通过分析迷走神经节(VG)的单细胞RNA测序数据集,研究人员发现大多数Nav1.8+感觉神经元都表达Jak1。于是他们假设,迷走感觉神经元中的Jak1表达可能是肺部免疫稳态所必需的。为了验证这一点,他们使用了条件性敲除Jak1的小鼠(Jak1Δneuron小鼠)。在过敏原挑战后,Jak1Δneuron小鼠的所有炎症参数都显著增强,表明Nav1.8+感觉神经元中的JAK1信号传导调节了小鼠肺部的过敏性炎症(图2)。同时,蛋白酶过敏原(木瓜蛋白酶)诱导的另一过敏性炎症小鼠模型也证实了这些结果。

 

越来越多的证据表明,感觉神经元释放神经肽来调节多个屏障表面的炎症反应。那么,JAK1也许能控制神经肽的表达以调节组织中的神经炎症。在筛选了多个与神经炎症有关的神经肽后,他们发现在迷走神经节中,JAK1可以调节包括Calcb在内的多种神经肽的表达(图2),Calcb编码降钙素基因相关肽β(CGRPβ)。考虑到JAK1改变细胞程序的能力在很大程度上取决于STAT蛋白的下游磷酸化,而计算机分析预测CALCB是STAT6的转录靶点,他们推测CGRPβ可能是受JAK1控制的一种关键的调节性神经肽。

 

图2 感觉神经元中Jak1的破坏加剧了过敏性肺部炎症,并改变了神经肽的表达水平[1]

 

CGRPβ抑制ILC2功能和过敏性肺部炎症

ILC2是过敏性肺部炎症的重要驱动因素,但CGRPβ在这方面的作用还不大清楚。通过体外实验,研究人员发现CGRPβ可有效抑制ILC2产生IL-5和IL-13。之后他们利用Rag1-/-小鼠来评估CGRPβ是否能够抑制体内ILC2反应和过敏性肺部炎症。在鼻过敏原挑战后,Rag1-/-小鼠出现了明显的ILC2和嗜酸性粒细胞反应,但经CGRPβ处理的小鼠表现出免疫细胞反应减弱和组织炎症减弱,但CGRPβ受体拮抗剂的处理会导致过敏性肺部炎症加重。这些结果显示,CGRPβ能够抑制ILC2的功能和过敏性肺部炎症。

 

将人类JAK1 GoF插入感觉神经元可抑制过敏性肺部炎症

最后,研究人员试图测试将人类JAK1 GoF特异性递送到肺部神经元是否能抑制过敏性炎症。他们将表达人类JAK1 GoF变异的逆向腺相关病毒导入小鼠体内,并让它们接受气道过敏原挑战。他们发现,小鼠的迷走感觉神经元感染了AAV,并且能有效抑制过敏性肺部炎症。将相同的人类JAK1 GoF变异插入小鼠的感觉神经元中,效果也相似,过敏性肺部炎症得到了有效抑制。这些结果表明,JAK1可调节感觉神经元中的CGRPβ,并促进肺部的免疫稳态。

 

研究结论

图片

这项研究表明,尽管淋巴细胞中的JAK1激活具有广泛的促炎作用,但感觉神经系统中的JAK1激活却具有之前未发现的免疫调节作用。这一观察结果或许可以解释为什么JAK1抑制剂在治疗湿疹上非常成功,但在治疗哮喘方面却没有取得进展。文章还指出,了解各种神经肽如何调节皮肤、肺部和肠道的炎症是神经免疫性的一个新兴领域。未来,有可能通过感觉神经调控来治疗各种炎症、传染、代谢甚至是恶性疾病。

 

原文检索:

[1]Tamari M, Del Bel KL, Ver Heul AM, et al. Sensory neurons promote immune homeostasis in the lung. Cell. 2024 Jan 4;187(1):44-61.e17. https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.027

JAK1
文献解读
Cell