關於記憶 T 細胞的來源爭論了幾十年。近期兩篇 Nature 和一篇 Science 再次掀起了記憶 T 細胞身世的討論，揭示了 DNA 甲基化和組蛋白修飾介導的記憶 T 細胞的形成機制， 為理解 T 細胞的分化提供了新視角。然而，關於記憶 T 細胞身世的討論從未停息。
幾乎每個人都有摔倒的經歷，摔倒後胳臂或手臂被蹭了一小塊兒，地上的各種細菌從傷口處侵入。很快，被蹭到的地方會變紅，一天之後就會結痂，三五天之後恢復如初。感染了細菌卻能安然無恙，這得歸功於我們強大的免疫系統。
免疫系統猶如抗敵的城池
我們人體就像是一座堅不可摧的城堡，之所以堅不可摧，得益於這座城堡的三道防線，由皮膚和黏膜組成的第一道防線，由先天免疫組成的第二道防線，這兩道防線可以阻隔絕大多數的病原體；一旦病原體突破了這兩道防線，已兵臨城下，我們的機體將啟動第三道防線——由 T 淋巴細胞和 B 淋巴細胞為核心的獲得性免疫。
1796 年 5 月 14 日，英國醫生愛德華·詹納（Edward Jenner）在八歲男孩詹姆士·菲利浦（James Phipps）的胳膊上劃了幾道傷口，為他接種了牛痘，這一划，也將時代劃分為「人類對天花束手無策的時代」和「人類攻克天花的年代」。牛痘的接種讓小男孩獲得了對抗天花的免疫力，這是獲得性免疫的最早線索。
獲得性免疫中的主角是 B 淋巴細胞和 T 淋巴細胞。敵人已經兵臨城下，城池底下有短兵相接的雙方士兵，而 B 淋巴細胞就像守城的士兵，他並不直接殺死敵人，而是告訴弓箭手，城池底下的士兵中哪些是敵人，然後弓箭手開始射殺敵人。在免疫系統裡面，B 細胞是通過抗體對病原體進行標籤，從而達到標記病原體的目的。一旦敵人侵入或潛入了城池，這個時候 T 細胞就要發揮功能了。T 細胞尊貴得多，更像是守城的將領，當城內的士兵捕獲了一批敵人時，送到將領前面，然後將領當面把他們消滅。在我們的免疫系統中，負責押解敵人的是抗原呈遞細胞（APC，Antigen presenting cell）。
以 T 細胞為核心的細胞免疫可以看成是人體免疫系統的終極底線，一旦他們被突破，後果將不堪設想。因此，T 細胞免疫顯得格外重要。按照功能可將 T 細胞分為殺傷性 T 細胞、輔助性 T 細胞和調節性 T 細胞。
首先來說說殺傷性 T 細胞，即細胞毒性 T 細胞（cytotoxic T cell）。之所以叫細胞毒性 T 細胞，是因為他殺敵的方式比較特別，一旦他知道自己內部有哪些人接受了叛反的思想，他會果斷把這個人幹掉，捨棄這個人；相對應地，在免疫系統裡，一旦病原體（比如病毒）侵入了細胞，T 細胞會直接把這個細胞殺掉，因此得名細胞毒性 T 細胞。此外，細胞毒性 T 細胞另外一個神奇的地方在於，當他幹掉敵人後，他還會記住敵人，下次當有類似的敵人入侵時，就可以快速地消滅敵人，而這正是通過接種牛痘對抗天花的奧秘所在。為了以示區分，直接發揮殺傷作用的 T 細胞成為效應 T 細胞（effector），而具有特殊記憶的 T 細胞成為記憶 T 細胞（memory T cell），它們可在體內存活十年甚至更久。
此外還有輔助性 T 細胞（Helper T cell, Th）,他像是後勤保障人員，大敵當前時，他們可以為其他士兵製造武器，讓士兵的殺敵功能變強。在免疫系統中，Th 細胞通過分泌各種對其他細胞很有用的細胞因子（白介素 2 或者幹擾素 γ）發揮功能。
還有一類是調節性 T 細胞（T regulatory cell，Treg）。剛才我們提到，一旦敵人潛入城池，這個時候就要有人把敵人揪出來，但是也不能揪錯了，把好人認成了壞人，需要有人向糾察官反覆核實和確認，而 Treg 扮演的正是這個角色。
三類 T 細胞分工明確，相互協作。他們都有自己獨特的標籤，也就是常見的 CD，即 cluster of differentiation，可譯為「分化簇」，是免疫細胞表面的一種膜蛋白，用於識別特定的抗原。細胞毒性 T 細胞的標籤是 CD8（下文都將此類細胞稱為 CD8 T 細胞），Th 的標籤是 CD4，而 Treg 的標籤是 CD4 和 CD25，並且表達 FOXP3。
T 細胞分化的三種模型
俗話說，人生的三個終極問題為「我是誰」、「我從哪裡來」、「我要到哪裡去」。細胞表面的標籤已經部分回答了「T 細胞是誰」的問題，科學家們將目光聚焦到「T 細胞從哪裡來」和「到哪裡去」。鑑於 T 細胞在對抗病毒和癌細胞以及免疫治療的過程中發揮著至關重要的作用，因此探究 T 細胞的身世也具有很強的現實意義，特別是指導相應疫苗的設計。
探究 T 細胞的前世今生，其實也就是探究原始 T 細胞（naïve T cell）到記憶 T 細胞的黑箱以及 naïve T cell、效應 T 細胞和記憶 T 細胞間關係的過程。毫無疑問的是，記憶 CD8 T 細胞的起源是 naïve T 細胞，但是是直接分化而來的，還是中間經歷了其他細胞狀態呢？科學家們對這個問題爭論了很久。
針對這個問題，早在 2009 年，Nature Reviews Immunology 向四位該領域中傑出的科學家尋求答案 [1]，四位大牛科學家各抒己見。
從左到右依次為埃默裡大學的 Rafi Ahmed，HHMI 的 Michael J. Bevan，杜克大學的 Steven L. Reiner 以及劍橋大學的 Douglas T. Fearon
文章系統性地闡述了三種記憶性 CD8 T 細胞的分化模型。
模型 a: 線性分化模型。
在線性分化模型中，naive T 細胞在抗原的刺激下產生效應 T 細胞，這個時候效應 T 細胞有兩條路可以選，一條路是變成靜息的終末分化 T 細胞，在病原體被清除後，它的使命也就完成了，之後走向凋亡；另一條路是分化為效應記憶細胞（effector memory T cells，TEM），TEM 的顯著特徵包括 CD62L 基因表達很低，而且不表達 CCR7 基因，還可以跑到淋巴結中，細胞複製受限。進一步的，TEM 可以分化為長久存在的中心記憶 T 細胞（central memory T cells, TCM)，此時 TCM 表達 CCR7 和 CD62L，並且在淋巴組織中進行穩態的增殖。
模型 b: 分支分化模型。
分支分化模型認為，在抗體識別之後，一個 T 細胞通過不對稱分裂，產生兩個命運不同的子細胞，其中遠端的子細胞產生中心記憶 T 細胞 TCM ，而近端的子細胞產生效應記憶細胞 TEM 和效應 T 細胞。
模型 c: 自我更新效應模型。
第三種是自我更新模型，該模型認為，naïve T 細胞可以分化成為中心記憶 T 細胞 TCM 或者可以自我更新的效應 T 細胞，這些細胞都可以進入到淋巴組織中，並進行穩態增殖；而這些細胞可以進一步分化為效應記憶細胞 TEM ，它可以遷移到感染的位點，但不能自我更新；而進一步地，效應記憶細胞 TEM 可以分化為靜息狀態的終末分化的效應 T 細胞。
想必你跟我一樣，已經被上面的這些概念繞暈了。T 細胞的分化確實是一個非常複雜，這中間涉及很多細胞的中間狀態，每一類中間狀態的細胞都有其顯著的特徵，或者反過來，具有顯著特徵的細胞我們歸為一類。
截至到現在，T 細胞的分化依然存在很多爭論。
表觀遺傳介導的 CD8 T 細胞分化
正如曹雪濤院士對 2017 年國內外免疫學研究重要進展 [2] 進行總結時候提到的，表觀遺傳對免疫功能的調控具有重要的作用。
2017 年 12 月 28 日，Nature 同期發布了兩篇文章 [3,4]，分別在小鼠和人中揭示了 DNA 甲基化介導的 CD8 T 細胞的分化過程，而僅僅半個月後，Science 在小鼠中揭示了另一來關鍵的表觀遺傳調控方式——組蛋白甲基化對 CD8 T 細胞分化中的關鍵功能 [5]。
兩篇 Nature 均為此前提到的 Rafi Ahmed 課題組（一篇與其他課題組合作）的成果，而這篇 Science 則來自巴黎科學藝術人文大學。在半個月內接連三篇頂級文章從不同模型和不同角度揭示同一問題，這種情況也是極少見的！
下面我們將分別以 NL、NA 和 S 來簡稱 Nature 的 Letter、Article 以及這篇 Science。NL 認為，長久存在的記憶 CD8 T 細胞來源於效應 T 細胞的一個亞群（稱之為記憶前體效應 T 細胞），特別注意標題中的去分化（dedifferentiate）一詞，因為效應 T 細胞此前一直被認為是終末分化細胞，分化潛能低於記憶 T 細胞。
NA 跟 NL 的結論基本相同，不同的是，NA 是在人裡面做的，而 NL 是在小鼠中；此外，NA 還系統性地研究了人類長期存在的記憶 CD8 T 細胞的周轉周期以及壽命。通過對比，研究者驚訝地發現，在小鼠中，病毒特異性的記憶性 CD8 T 細胞每 45 天分裂一次，而在人中，分裂周期為 476 天，要遠遠比小鼠中的長。
兩篇 Nature 的對比，點擊圖片，可放大查看
此外，NL 和 NA 文章都發現，表觀遺傳在記憶性 CD8 T 細胞的形成過程中扮演了關鍵角色。
正如守城的士兵，在沒有敵人的時候，生活安寧，單純美好；而一旦敵人入侵，必須捨棄掉安寧和穩定，需要一些新的特質，比如戰鬥力。T 細胞也正是這樣做的，在病毒感染之前，naïve T 細胞中主要表達 naïve 功能相關的基因（證明你是你自己的一種方式），比如 Sell 基因（編碼一種可以讓淋巴細胞轉移到淋巴組織中的細胞黏附分子 CD62L，也稱為 L-selectin）。而我們都知道，基因啟動子區域的 DNA 甲基化通常負向調控基因的表達，研究也確實證實，naïve T 細胞 Sell 基因的啟動子區域處於完全未甲基化狀態。而一旦病毒感染後，Sell 基因的啟動子區域很快（疫苗接種後前 4 天）甲基化，Sell 基因表達下調；而與此同時，效應 T 細胞功能相關的基因的啟動子呈現去甲基化，表達上調。
Sell 基因的啟動子區域甲基化變化趨勢，急性感染時期（day 4 和 day 8）Sell 基因啟動子區域被甲基化，而病毒被清除後（day 62），甲基化又被去掉。
但是值得注意的是，一場戰爭來臨時，出徵的士兵目的各不相同，有的人是被迫徵召入伍，他們雖然捨棄掉了平日穩定的生活狀態，但是在戰場上表現平平；而另一批人在放棄安逸生活的同時，在戰場上英勇殺敵，希望成為日後的中堅力量。naïve T 細胞分化而來的效應 T 細胞中，確實也存在這樣的兩類細胞，一類是終末分化的效應 T 細胞（terminal effectors，TE），他們是前者，敵人被清除後走向死亡；而另一類是記憶前體細胞（memory precursors，MP），他們很顯然是後者，敵人被清除後，他們會主動回到之前的安寧狀態（因為在安寧狀態才可以養精蓄銳，繁衍生息，為下一場戰爭做準備），進一步變成記憶 T 細胞，在體內巡查。
在抗敵的時候，TE 和 MP 中 naïve 相關的基因都通過 DNA 甲基化被抑制；但 MP 不同的是，很多效應 T 細胞相關的基因的 DNA 甲基化被去除，提示他們的態度更加積極；此外，病毒清除後，之前被抑制的那些 naïve 基因又會重新表達。
TE 和 MP 相對於 naïve T 細胞的差異甲基化區域（DMR），其中 Sell、Ccr7 和 Tcr7 是naïve 相關的基因，而 Gzmb、Ifng 和 Prf1 是效應 T 細胞相關的基因
進一步的研究發現，病毒感染後 naïve T 細胞中 naïve 相關基因的啟動子區域的迅速的甲基化是依賴於 DNA 從頭甲基化酶 DNMT3A 的；而人為地敲除 DNMT3A 會讓 MP 更容易變成記憶 T 細胞。
DNMT3A 條件性敲除（cKO）會顯著提升 MP（特徵是 Klrg1 低表達，L-selectin 高表達）在外周血單核細胞中的比例。
我們用一個小視頻來回顧一下 NL 的主要研究內容。
在表觀遺傳特徵上，除了 DNA 甲基化，NA 文章利用 ATAC-seq 對比了 naïve T 細胞、效應 T 細胞以及記憶 T 細胞的染色質開放程度。綜合轉錄組數據和染色質開放程度的數據，研究人員發現了一個非常有意思的現象：記憶 T 細胞的轉錄組更像 naïve 細胞，但是它的表觀遺傳狀態卻與效應 T 細胞更像。
naïve T 細胞、效應 T 細胞以及記憶 T 細胞轉錄組（左邊）和染色質開放程度（右邊）的主成分分析（PCA），在轉錄組的 PCA 中，記憶 T 細胞與 naïve 的距離更近，表示它們更像；而在 ATAC-seq 中，記憶 T 細胞與效應 T 細胞更近，表明它們更像。
這正如你在一座安寧祥和的城裡遇到兩個人，這兩個人都過著平靜安逸的生活，但是其中一個人可能沒有經歷過任何風浪，自始至終都過著安穩平靜的生活；而另外一個人，他目光投向遠方，眼神中流露出歲月的滄桑，他跟普通人不一樣，因為他曾經身經百戰，在戰場上立下赫赫戰功，不信你看他背上的傷疤。儘管記憶 T 細胞與 naïve 的轉錄組很像，但是表觀遺傳狀態透露了記憶 T 細胞曾經是一個英勇的效應 T 細胞。
表觀遺傳調控基因的表達的方式除了 DNA 甲基化，還有組蛋白修飾。S 文提出，當遇到抗原（Antigen，Ag）時，naïve T 細胞會先進入一種 Stem（Stem 其實也就是 NL 和 NA 文提到的 naïve）相關基因與效應基因都打開的中間狀態，此後中間態細胞有兩條路，一條路是通過 Suv39h1 介導的 H3K9me3 抑制 stem 相關基因的表達，進而分化為效應 T 細胞； 另一條路是通過未知的機制先關閉效應基因，分化為記憶 T 細胞的前體 MP，當抗體再次入侵時，MP 分化為效應 T 細胞，這個時候效應基因又重新打開，stem 和 effector 呈現「雙開」的場景。
雖然 S 文並沒有指出效應 T 細胞可通過去分化形成記憶 T 細胞，但是我們確實看到了，當 Suv39h1 敲除後，CD8 T 細胞最終更多地轉化為記憶 T 細胞。這一現象與兩篇 Nature 的觀點不謀而合，只不過他們的解釋不同。如果用兩篇 Nature 的觀點來解釋 Science 的現象，那麼剛才的模式圖的內容需要進一步豐富。
何為「細胞身份」？
在遺傳學上，記憶 T 細胞更像 naïve T 細胞，但是在表觀遺傳學上，更像效應 T 細胞。這也揭示了，為什麼此前會有很多人認為記憶T細胞是直接從 naïve T 細胞分化而來的。
同時，這個有意思的現象也引發了很多思考。比如跟你坐在同一個教室自習的同學，在平靜的歲月裡，大家都一樣上課、吃飯、睡覺；但是，每個人的經歷不同，只有遇到艱難困苦時，一個人的意志品質才能得到充分體現。正如當病原體再次入侵時，由效應 T 細胞來源的記憶 T 細胞有條不紊地重新分化為效應 T 細胞，英勇殺敵，效率很高；而 naïve T 細胞則經過好幾個中間態，慢慢摸索才找到制敵之道。
參考文獻：
[1] Ahmed R, Bevan MJ, Reiner SL, et al. The precursors of memory: models and controversies. Nat Rev Immunol. 2009, 9(9):662-8.
[2] 劉娟，曹雪濤. 2017 年國內外免疫學研究重要進展. 中國免疫學雜誌, 2018, 34(1): 1-10.
[3] Youngblood B, Hale JS, Kissick HT, et al. Effector CD8 T cells dedifferentiate into long-lived memory cells. Nature. 2017, 552(7685):404-409.
[4] Akondy RS, Fitch M, Edupuganti S, et al. Origin and differentiation of human memory CD8 T cells after vaccination. Nature. 2017, 552(7685):362-367.
[5] Pace L, Goudot C, Zueva E, et al. The epigenetic control of stemness in CD8+ T cell fate commitment. Science. 2018, 359(6372):177-186.