小鼠模型的應用：助力揭示JAK1在感覺神經(jīng)元中的免疫調節(jié)作用

JAK1是人體內(nèi)的一種重要蛋白質，支持細胞通訊并控制免疫系統(tǒng)。控制JAK1的活性對某些癌癥及類風濕性關節(jié)炎等疾病的治療很重要。目前，美國FDA批準了多種JAK1抑制劑用于治療濕疹，但沒有一種抑制劑獲批用于哮喘，而且多種吸入性JAK1抑制劑在臨床試驗中均以失敗告終。由此可見，人們需要深入了解JAK信號傳導在各個器官中的組織特異性作用。

II型細胞因子主要依賴下游的JAK1信號傳導來促進過敏性炎癥。然而，目前對JAK抑制的了解大多來自于造血系統(tǒng)。JAK1信號傳導在基質細胞（如上皮細胞和成纖維細胞）中發(fā)揮何種作用，人們的了解還很有限。深入了解JAK1信號傳導在組織和細胞中的特異性作用，才能更好地治療哮喘等過敏性疾病。

近日，西奈山伊坎醫(yī)學院的研究人員利用小鼠模型揭示了迷走感覺神經(jīng)元中的JAK1在調節(jié)神經(jīng)肽表達和神經(jīng)炎癥中的作用，而這種作用以前未被發(fā)現(xiàn)。這項研究成果于2024年1月4日發(fā)表在《Cell》雜志上，有望幫助人們進一步優(yōu)化治療性JAK抑制劑，從而在未來加強精準醫(yī)療。

圖片來源：《Cell》
（https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.027）

研究材料與方法
在這項研究中，研究人員使用了多個小鼠模型，包括C57BL/6野生型小鼠、適應性淋巴細胞缺陷的Rag1^-/-小鼠等。其中，JAK1^GoF小鼠和Jak1^{STOPflox-JAK1 GoF}小鼠由賽業(yè)生物構建。他們通過鼻腔注射鏈格孢菌誘導了過敏性肺部炎癥，并通過組織病理學評估肺部的病理變化。他們還分析了迷走神經(jīng)元中多種神經(jīng)肽的表達，以及它們?nèi)绾问躂AK1的影響。

技術路線
01 構建JAK1^GoF小鼠，用人類JAK1 GoF突變?nèi)〈�小鼠Jak1基因
02 開展氣道過敏原挑戰(zhàn)實驗，發(fā)現(xiàn)JAK1^GoF可抑制過敏原誘導的肺部炎癥
03 通過一系列實驗證實迷走感覺神經(jīng)元中的Jak1表達是肺部免疫穩(wěn)態(tài)所必需的
04 JAK1調節(jié)神經(jīng)肽CGRPβ的水平，而CGRPβ可抑制ILC2功能和過敏性肺部炎癥
05 將人類JAK1 GoF插入感覺神經(jīng)元可抑制小鼠的過敏性肺部炎癥

研究結果
1 JAK1 GoF突變不會導致肺部的自發(fā)性過敏性炎癥
2017年，不列顛哥倫比亞大學的Stuart Turvey首次報告了攜帶生殖系JAK1功能獲得突變（GoF）的患者，Turvey教授也是本文的作者之一。這些患者表現(xiàn)出多種過敏性疾病，包括濕疹、哮喘和嚴重的嗜酸性粒細胞增多。于是，研究人員對兩名患者的臨床癥狀進行了仔細檢查。他們發(fā)現(xiàn)，這兩名患者出現(xiàn)濕疹的時間明顯早于哮喘，而且濕疹普遍比哮喘更嚴重，這表明JAK1在多個組織中的激活會導致不同的組織特異性結果。

為了研究JAK1的組織特異性影響，研究人員委托賽業(yè)生物構建了一個小鼠品系（JAK1^GoF），其中小鼠Jak1基因被人類JAK1 GoF突變所取代。他們發(fā)現(xiàn)，JAK1^GoF小鼠在出生后不久就會出現(xiàn)濕疹的癥狀，而對照組小鼠沒有。令人驚訝的是，與皮膚狀態(tài)不同，JAK1^GoF小鼠的肺部與對照組小鼠相比并沒有出現(xiàn)明顯的炎癥病變。基于此，他們提出一種假設，即肺部對JAK1介導的炎癥具有抵抗力，而皮膚卻沒有。

2 基質中的JAK1^GoF可抑制過敏原誘導的肺部炎癥
接下來，研究人員開展了氣道過敏原挑戰(zhàn)實驗，看看是否會引起炎癥反應增強。他們用哮喘相關的真菌過敏原鏈格孢菌（Alternaria alternata）對JAK1^GoF小鼠和對照小鼠進行了鼻腔處理。組織病理學分析表明，與對照組相比，JAK1^GoF小鼠的肺部病理變化增強，表現(xiàn)為過敏原刺激后的氣道重塑、炎癥浸潤、杯狀細胞增生和粘液分泌增加。這些結果表明，盡管JAK1全面激活不會導致肺部的自發(fā)性過敏性炎癥，但過敏原的刺激會使JAK1^GoF小鼠更容易出現(xiàn)某些過敏性病理特征。

考慮到肺部在穩(wěn)態(tài)時對JAK1介導的炎癥有抵抗力，研究人員假設肺部基質中的JAK1激活可能會賦予組織特異性的抵抗力。為了驗證這一點，他們將野生型小鼠的骨髓轉移至野生型小鼠和JAK1^GoF小鼠體內(nèi)，生成了骨髓嵌合體小鼠（WT→WT和WT→JAK1^GoF）（圖1）。與WT→WT小鼠相比，WT→JAK1^GoF小鼠在過敏原刺激時的肺部病理變化明顯減少，II型固有淋巴細胞（ILC2）和嗜酸性粒細胞的頻率也顯著下降。令人驚訝的是，RNA測序數(shù)據(jù)的KEGG通路分析表明，WT→JAK1^GoF小鼠中哮喘和炎癥相關通路的表達明顯受到抑制。這些意外的結果表明JAK1^GoF的基質表達賦予了小鼠對肺部炎癥的抵抗力。
 

圖1 JAK1^GoF的基質表達對過敏性肺部炎癥具有保護作用[1]

3 感覺神經(jīng)元中的JAK1調節(jié)肺部炎癥和神經(jīng)肽水平
最近有報道稱，感覺神經(jīng)元可以抑制肺部炎癥，于是研究人員假設，感覺神經(jīng)元通過JAK1信號傳導介導了一個關鍵的調控回路。他們利用TRPV1激動劑樹脂毒素（resiniferatoxin）來處理表達TRPV1的神經(jīng)元，以去除神經(jīng)支配。在皮下注射樹脂毒素后，小鼠喪失了痛覺。令人驚訝的是，在去除神經(jīng)支配后，小鼠支氣管周圍和血管周圍的炎癥浸潤、杯狀細胞增生和粘液分泌增加，且ILC2和嗜酸性粒細胞的頻率也顯著升高。在進一步分析后，他們發(fā)現(xiàn)迷走感覺神經(jīng)元對過敏性肺部炎癥起著關鍵的抑制作用。

通過分析迷走神經(jīng)節(jié)（VG）的單細胞RNA測序數(shù)據(jù)集，研究人員發(fā)現(xiàn)大多數(shù)Nav1.8⁺感覺神經(jīng)元都表達Jak1。于是他們假設，迷走感覺神經(jīng)元中的Jak1表達可能是肺部免疫穩(wěn)態(tài)所必需的。為了驗證這一點，他們使用了條件性敲除Jak1的小鼠（Jak1^Δneuron小鼠）。在過敏原挑戰(zhàn)后，Jak1^Δneuron小鼠的所有炎癥參數(shù)都顯著增強，表明Nav1.8⁺感覺神經(jīng)元中的JAK1信號傳導調節(jié)了小鼠肺部的過敏性炎癥（圖2）。同時，蛋白酶過敏原（木瓜蛋白酶）誘導的另一過敏性炎癥小鼠模型也證實了這些結果。

越來越多的證據(jù)表明，感覺神經(jīng)元釋放神經(jīng)肽來調節(jié)多個屏障表面的炎癥反應。那么，JAK1也許能控制神經(jīng)肽的表達以調節(jié)組織中的神經(jīng)炎癥。在篩選了多個與神經(jīng)炎癥有關的神經(jīng)肽后，他們發(fā)現(xiàn)在迷走神經(jīng)節(jié)中，JAK1可以調節(jié)包括Calcb在內(nèi)的多種神經(jīng)肽的表達（圖2），Calcb編碼降鈣素基因相關肽β（CGRPβ）�？紤]到JAK1改變細胞程序的能力在很大程度上取決于STAT蛋白的下游磷酸化，而計算機分析預測CALCB是STAT6的轉錄靶點，他們推測CGRPβ可能是受JAK1控制的一種關鍵的調節(jié)性神經(jīng)肽。
 

圖2 感覺神經(jīng)元中Jak1的破壞加劇了過敏性肺部炎癥，并改變了神經(jīng)肽的表達水平^[1]

4 CGRPβ抑制ILC2功能和過敏性肺部炎癥
ILC2是過敏性肺部炎癥的重要驅動因素，但CGRPβ在這方面的作用還不大清楚。通過體外實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)CGRPβ可有效抑制ILC2產(chǎn)生IL-5和IL-13。之后他們利用Rag1^-/-小鼠來評估CGRPβ是否能夠抑制體內(nèi)ILC2反應和過敏性肺部炎癥。在鼻過敏原挑戰(zhàn)后，Rag1^-/-小鼠出現(xiàn)了明顯的ILC2和嗜酸性粒細胞反應，但經(jīng)CGRPβ處理的小鼠表現(xiàn)出免疫細胞反應減弱和組織炎癥減弱，但CGRPβ受體拮抗劑的處理會導致過敏性肺部炎癥加重。這些結果顯示，CGRPβ能夠抑制ILC2的功能和過敏性肺部炎癥。

5 將人類JAK1 GoF插入感覺神經(jīng)元可抑制過敏性肺部炎癥
最后，研究人員試圖測試將人類JAK1 GoF特異性遞送到肺部神經(jīng)元是否能抑制過敏性炎癥。他們將表達人類JAK1 GoF變異的逆向腺相關病毒導入小鼠體內(nèi)，并讓它們接受氣道過敏原挑戰(zhàn)。他們發(fā)現(xiàn)，小鼠的迷走感覺神經(jīng)元感染了AAV，并且能有效抑制過敏性肺部炎癥。將相同的人類JAK1 GoF變異插入小鼠的感覺神經(jīng)元中，效果也相似，過敏性肺部炎癥得到了有效抑制。這些結果表明，JAK1可調節(jié)感覺神經(jīng)元中的CGRPβ，并促進肺部的免疫穩(wěn)態(tài)。

研究結論

這項研究表明，盡管淋巴細胞中的JAK1激活具有廣泛的促炎作用，但感覺神經(jīng)系統(tǒng)中的JAK1激活卻具有之前未發(fā)現(xiàn)的免疫調節(jié)作用。這一觀察結果或許可以解釋為什么JAK1抑制劑在治療濕疹上非常成功，但在治療哮喘方面卻沒有取得進展。文章還指出，了解各種神經(jīng)肽如何調節(jié)皮膚、肺部和腸道的炎癥是神經(jīng)免疫性的一個新興領域。未來，有可能通過感覺神經(jīng)調控來治療各種炎癥、傳染、代謝甚至是惡性疾病。

原文檢索：
[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