免疫細胞之間的交流由細胞因子介導，細胞因子促進細胞分化為效應型細胞。特別地，初始CD4+T細胞可被細胞因子極化成輔助性T(Th)表型，包括Th1、Th2和Th17，進而發揮作用。當前人們對細胞因子刺激的初始CD4+ T細胞分化有較深入的研究，而記憶性T細胞的細胞因子響應（或極化）卻很少被研究。
英國研究團隊在《Nature Communications》（IF:14.919，中科院JCR 1區）上發表了題為“Single-cell transcriptomics identifies an effectorness gradient shaping the response of CD4+T cells to cytokines”的研究論文。研究表明，CD4+ T細胞激活和細胞因子反應受效應梯度的影響。總體技術路線
初始(TN)和記憶(TM) CD4+ T細胞在不同細胞因子混合物的存在下，用抗CD3/抗CD28包被的beads刺激CD4+ T細胞，將TN和TM分化為四種輔助性表型(Th1、Th2、Th17和iTreg)，及干擾素-β型（IFNβ）。在刺激16小時(細胞增殖前)和刺激后5天(細胞獲得效應表型)，收集細胞并進行RNA測序、蛋白質組學（非標記LC-MS/MS）和單細胞測序。
研究結果
- 轉錄組和蛋白質組：揭示激活TN和TM誘導的細胞類型特異性響應
由RNA測序和蛋白組的PCA分析可知，T細胞激活與否是轉錄組和蛋白組差異變化的主要原因（下圖c）。細胞按細胞因子刺激時間長短和細胞類型進行聚集，提示我們T細胞對激活的響應是動態和細胞特異性的。比較TN組和TM組中的激活和未激活（即Th0比靜息）的轉錄組和蛋白組(下圖d)，在RNA水平上，16小時后TN和TM中分別有8333和7181個mRNA差異表達。在細胞因子處理五天后為TN組7705個差異mRNA和TM組7544個差異mRNA。在蛋白質水平上，在TN和TM中，5天后分別有4009和3443個蛋白質差異表達。上調差異基因富集在細胞周期進程和I型干擾素反應，下調差異基因富集在呼吸鏈復合體(下圖e)。
- 轉錄組和蛋白質組：揭示細胞因子刺激TN和TM誘導的細胞類型特異性響應
- 細胞類型特異型基因特征
TN組：5種細胞狀態，分別是Th1、 Th2、Th17、iTreg和 IFN-β；
TM組：3種細胞狀態，分別是Th1、 Th17/iTreg 和 IFN-β（因為Th2 無響應)。
作者分析了TN組和TM組中各細胞類型的特征基因（下圖），共鑒定到TN組的105個特征基因和TM組的162個特征基因。
- 單細胞測序：揭示T細胞效應梯度
為了解決這個問題，作者對TN組和TM組的細胞進行了單細胞測序，包括靜息細胞、Th0細胞、Th2細胞、Th17細胞和iTreg刺激細胞。結果顯示靜息的CD4+T細胞是一個具有多個相關轉錄狀態的連續體。為了研究這些狀態之間的關系，作者應用擬時分析并觀察到細胞形成了從TN開始并逐漸向TM發展的連續進程。該軌跡開始時的細胞表達高水平的初始標記物(如SELL、CCR7和LRRN3)，而軌跡結束時是富含表達細胞毒性分子(如GZMA、GZMB和PRF1)和細胞因子及趨化因子(IL32、CCL4和CCL5)的細胞。簇標記證實CD4+ T細胞形成自然進程，從初始T細胞(TN)開始，向中樞記憶性CD4+T細胞（TCM）推進，然后是效應記憶性CD4+T細胞（TEM），最后是高度效應記憶性T細胞(TEMRA)，nTreg細胞向外分支。作者將這種快速反應的性質定義為T細胞效應。隨后，作者通過分析已發表文獻中CD4+T細胞和配對TCR測序的結果，明確了T細胞效應是T細胞活化的結果，并伴隨有TCR的克隆擴增，而與抗原特異性無關。
- T細胞效應決定T細胞對激活的響應
- T細胞效應決定T細胞對細胞因子的響應
為了了解T細胞效應如何影響T細胞對細胞因子的反應。作者共確定了210個與效應顯著相關的基因。其中，大多數(203個基因)進一步受到細胞因子的調控。作者又根據效應大小篩選基因，確定了24個在所有細胞因子刺激下都具有強效應的基因，并通過已發表文獻和實驗對其進行了驗證。
總結
作者通過比較初始CD4+T細胞(TM)和記憶性CD4+ T細胞（TN）在不同細胞因子刺激后的轉錄組和蛋白組發現記憶CD4+ T細胞（TM）不能分化為Th2表型，并在對iTreg極化的反應中獲得Th17樣表型，這是TM細胞的統一特征。通過單細胞測序，作者發現T細胞構成了一個從初始CD4+T細胞(TN)發展到中樞記憶性CD4+T細胞(TCM)和效應記憶性CD4+T細胞(TEM)的轉錄連續體，表現為一種效應梯度。這個效應梯度是由細胞因子、趨化因子和顆粒酶基因的表達決定的，并影響細胞對細胞因子極化的反應。
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