2021年5月12日

科学家破译免疫细胞的“语言”

UCLA科学家解除了免疫细胞的“语言” — 在这张显微影像中，科学家们“聆听”巨噬细胞对免疫威胁的反应。资料来源:布鲁克斯·泰勒/加州大学洛杉矶分校生命科学学院

加州大学洛杉矶分校的生命科学家们已经确定了六个特定免疫细胞用来召唤免疫防御基因的“单词”——这是了解身体用来组织对威胁作出反应的语言的重要一步。

此外，他们发现错误地使用这两个词可以激活错误的基因，导致被称为Sjögren's综合征的自身免疫疾病。这项在老鼠身上进行的研究发表在本周的同行评议杂志上免疫力。

“细胞已经进化出了一种免疫应答代码或语言，”资深作者亚历山大·霍夫曼说，他是微生物学托马斯·m·阿舍教授，也是加州大学洛杉矶分校定量和计算生物科学研究所的主任。“我们已经识别出了那种语言中的一些单词，我们知道这些单词很重要，因为当它们被误用时会发生什么。现在我们需要理解单词的意思，我们正在快速进步。这就像考古学家发现罗塞塔石碑并开始阅读埃及象形文字一样令人兴奋。”

身体中的免疫细胞不断评估他们的环境并通过使用科学的解码器在科学的解码器中协调他们的防御功能 - 告诉细胞的细胞核，该细胞核是响应于致病性细菌和病毒而导致的基因。每个信令密码子由DNA结合蛋白的几个连续动作组成，当组合时，引发适当的基因激活，以与通过电话线的连续电信号相同的方式相同以产生对话的单词。

研究人员专注于巨噬细胞使用的特化词汇免疫细胞它能清除体内潜在的有害颗粒、细菌和死细胞。利用先进的显微镜技术，他们“听”了健康小鼠的巨噬细胞，并确定了6个与免疫威胁相关的特定密码字。然后，他们用含有类似于人类Sjögren综合症突变的小鼠巨噬细胞做了同样的实验，以确定这种疾病是否由这些词的不当使用导致。

霍夫曼说:“事实上，我们发现其中两个词的使用存在缺陷。”“这就好像细胞不是在说，‘响应街上的攻击者’，而是在错误地说，‘响应房子里的攻击者’。”

研究人员说，这些发现表明，Sjögren's并不像人们一直认为的那样是由慢性炎症引起的，而是由密码字混淆导致的不适当的基因激活，导致身体攻击自己。下一步将是找到纠正错误词汇选择的方法。

许多疾病都与细胞的沟通错误有关，但科学家们说，这项研究是第一次认识到免疫细胞使用一种语言，识别那种语言中的单词，并证明当单词选择出错时会发生什么。霍夫曼希望这个小组的发现能成为发现与其他疾病相关词汇的指南。

免疫系统的战争:文字和代码

免疫细胞是如何有效地产生针对每种病原体的反应的呢?霍夫曼说，答案在于“信号通路”，即连接免疫细胞受体分子(能够感知病原体的存在)和不同种类的防御基因的通信通道。转录因子NFκB是这些信号通路之一，被认为是免疫细胞应对病原体威胁的中心调节因子。

“巨噬细胞能够对不同类型的病原体做出反应，并进行不同类型的防御。国防单位——陆军、海军、空军、特种部队——是由基因群介导的，”他说。“对于每一种免疫威胁，都必须调动正确的基因群。这需要与这些单位就威胁的性质进行准确可靠的沟通。NFκB动力学提供通信代码。我们确定了密码中的单词，但我们还没有完全理解每个防御单位是如何解释密码词的各种组合的。”

当然，呼吁错误的单位不仅无效，霍夫曼笔记，但可能会造成伤害，因为车辆摧毁道路，事故发生并更糟糕的是，就像Sjogren一样，可能是其他疾病。

算法，计算机和微积分：识别六个单词

在这项研究中，科学家们分析了超过12000个细胞是如何在27种免疫威胁条件下进行通信的。基于时间NFκB动力学的可能安排，他们生成了一份包含900多个潜在“单词”的列表——类似于所有三个字母单词的组合，第二个字母是一个元音。

然后，他们使用一种20世纪40年代为电信行业开发的算法，监测了当巨噬细胞对某种刺激物(比如病原体来源的物质)做出反应时，哪些潜在的单词会出现。他们发现，6个特定的动力特征，或“单词”，最频繁地与这个反应相关。

一个类比将在谈话中倾听某人，并发现某些三个字母的单词往往被使用，例如“”，“男孩，”玩具“，”玩具“，”得到“，但不是”biy“或”bey，“领导作者Adewunmi Adelaja说，他赢得了他的博士学位。在Hoffmann的实验室，现在正在努力在UCLA。

然后，团队使用机器学习算法来模拟巨噬细胞的免疫应答。如果他们教一台电脑六个字，他们问道，当电脑的细胞被“谈话”时，它会识别刺激吗？他们证实它可以。进一步钻井，他们探讨了如果计算机只有五个单词可用。他们发现计算机在认识到刺激方面取得了更多的错误，导致团队得出结论，可靠的蜂窝通信所需的所有六个单词。

科学家们还用微积分来研究免疫细胞内部的生化分子相互作用单词。