109 年 國立成功大學微生物及免疫學研究所甲組《免疫學》

這題主要在探討腸道菌群代謝物（膽汁酸衍生物）對適應性免疫細胞（TH17 和 Treg 細胞）的影響，以及其在調節免疫反應中的作用。

(a) TH17 細胞與 Treg 細胞的描述

• TH17 細胞 (T helper 17 cells)：

  • 是一類輔助型 T 細胞 (T helper cells)，以分泌細胞激素 IL-17a 為主要特徵。
  • 在抵抗細胞外病原體（特別是細菌和真菌）感染中扮演關鍵角色。
  • 過度活化或失調與多種自體免疫疾病（如類風濕性關節炎、多發性硬化症、乾癬等）的發生發展有關。
  • 其分化主要受 TGF-$\beta$、IL-6、IL-21、IL-23 等細胞因子誘導。
  • 關鍵轉錄因子是 ROR$\gamma$t (Retinoic acid receptor-related orphan receptor gamma t)。

• Treg 細胞 (Regulatory T cells)：

  • 是一類免疫調節細胞，主要功能是抑制過度的免疫反應，維持免疫耐受，防止自體免疫疾病的發生。
  • 其標誌性細胞表面分子為 CD25 (IL-2 受體 $\alpha$ 鏈)，細胞內標誌性轉錄因子是 FOXP3 (Forkhead box P3)。
  • Treg 細胞通過多種機制發揮免疫抑制作用，包括分泌免疫抑制性細胞因子（如 IL-10、TGF-$\beta$）、直接與抗原呈遞細胞 (APC) 互動、消耗 IL-2 等。
  • 分化機制多樣，包括中樞性 Treg (nTreg)，在胸腺中發育；外周性 Treg (iTreg)，在外周免疫器官中，在特定環境下（如腸道）由 naive T 細胞分化而來。
  • 文章中提到，isoalloLCA 透過增加 mitoROS，進而增加 FOXP3 表達，促進 Treg 分化，且此過程需要 intronic Foxp3 enhancer (CNS3)。

【答案】TH17 細胞是分泌 IL-17a 的輔助 T 細胞，主要抵抗細胞外病原體，與自體免疫疾病有關；Treg 細胞是免疫調節細胞，標誌為 CD25 和 FOXP3，主要維持免疫耐受，抑制過度免疫反應。

(b) TH1, TH2, TH17 及 Treg 細胞分化的關鍵轉錄因子

• TH1 細胞：主要由 STAT4 和 T-bet (T-box expressed in T cells) 調控。T-bet 是驅動 TH1 分化的關鍵轉錄因子。
• TH2 細胞：主要由 STAT6 和 GATA3 調控。GATA3 是驅動 TH2 分化的關鍵轉錄因子。
• TH17 細胞：主要由 STAT3 和 ROR$\gamma$t (Retinoic acid receptor-related orphan receptor gamma t) 調控。ROR$\gamma$t 是驅動 TH17 分化的關鍵轉錄因子。
• Treg 細胞：關鍵轉錄因子是 FOXP3 (Forkhead box P3)。FOXP3 的表達是 Treg 細胞功能和分化的必要條件。

【答案】TH1 細胞：T-bet；TH2 細胞：GATA3；TH17 細胞：ROR$\gamma$t；Treg 細胞：FOXP3。

(c) 腸道黏膜固有層 (intestinal lamina propria) 的描述

• 腸道黏膜固有層是位於上皮細胞層下方，緊鄰腸腔的一層結締組織。
• 它是腸道免疫系統的重要組成部分，富含各種免疫細胞，包括 T 細胞、B 細胞、漿細胞、樹突狀細胞

這題主要探討 2019 年諾貝爾生理學或醫學獎的核心發現，即細胞如何感知氧氣並對其作出反應，以及這個機制在吞噬細胞殺滅微生物中的作用。

(a) 2019 年諾貝爾獎重要發現的描述

2019 年的諾貝爾生理學或醫學獎授予 William G. Kaelin Jr, Sir Peter J. Ratcliffe 和 Gregg L. Semenza，以表彰他們發現了細胞如何感知氧氣並適應氧氣可用性的機制。

核心發現包括：

1. 氧氣感應機制：

   • HIF (Hypoxia-Inducible Factor) 的調控：該研究揭示了 HIF 蛋白家族是細胞感知氧氣的核心。HIF 是一個異二聚體轉錄因子，由一個 HIF-$\alpha$ 亞基和一個 HIF-$\beta$ 亞基組成。
   • VHL 蛋白和脯氨醯羥化酶 (PHDs)：在正常氧氣濃度 (normoxia) 下，細胞內的脯氨醯羥化酶 (PHDs) 會利用氧氣作為輔因子，將 HIF-$\alpha$ 亞基上的特定脯氨酸殘基羥基化。
   • VHL 蛋白介導的降解：被羥基化的 HIF-$\alpha$ 亞基會被 VHL (Von Hippel-Lindau) 腫瘤抑制蛋白識別，並通過泛素-蛋白酶體途徑降解。
   • 缺氧誘導的 HIF 穩定：在低氧 (hypoxia) 條件下，PHDs 的活性降低，HIF-$\alpha$ 亞基不再被有效羥基化，從而逃避免受 VHL 蛋白的降解。穩定的 HIF-$\alpha$ 亞基隨後會與 HIF-$\beta$ 亞基結合，形成有活性的 HIF 複合物。

2. 氧氣適應機制：

   • 基因表達調控：活性的 HIF 複合物會進入細胞核，結合到細胞內多個基因的啟動子區域，調節這些基因的表達。
   • 生理響應：HIF 誘導的基因產物能幫助細胞適應低氧環境，例如：
     • 促進血管新生 (angiogenesis)，增加氧氣供應（如通過 VEGF 的表達）。
     • 促進紅細胞生成 (erythropoiesis)，增加血液攜氧能力（如通過促紅細胞生成素 EPO 的表達）。
     • 改變代謝途徑，從有氧代謝轉向無氧代謝，以在缺氧時維持能量供應。

總之，這項發現闡明了一個從氧氣感應到基因表達調控的完整通路，解釋了細胞和生物體如何應對氧氣水平的變化，這對於生理學、病理學（特別是癌症和缺血性疾病）具有極其重要的意義。

【答案】2019 年諾貝爾獎發現了細胞感知氧氣的機制，主要通過 HIF 蛋白家族。在正常氧氣下，HIF-$\alpha$ 被 PHDs 羥基化後由 VHL 蛋白降解；在缺氧時，HIF-$\alpha$ 穩定並與 HIF-$\beta$ 結合，形成 HIF 轉錄因子，誘導一系列基因表達，幫助細胞適應缺氧。

(b) 吞噬細胞殺滅微生物過程中氧氣消耗的重要性

吞噬細胞（如巨噬細胞、中性粒細胞）是先天免疫系統的重要組成部分，它們通過吞噬作用 (phagocytosis) 清除病原體。在殺滅微生物的過程中，氧氣的消耗（特別是透過「呼吸爆發」）至關重要。這個過程主要與「呼吸爆發」(respiratory burst) 或「氧化爆發」(oxidative burst) 有關。

自體免疫疾病的發生是多種因素相互作用的複雜結果，通常需要以下幾個關鍵要素的結合：

1. 遺傳易感性 (Genetic Predisposition)：

   • 某些基因型會增加個體患自體免疫疾病的風險。最經典的例子是人類白血球抗原 (HLA) 基因。HLA 分子參與抗原呈遞，特定的 HLA 等位基因可能更有效地結合並呈遞自身抗原給 T 細胞，從而引發自身免疫反應。
   • 除了 HLA，其他基因（如細胞因子基因、免疫調節分子基因、信號傳導分子基因等）的變異也可能影響免疫系統的調節，增加自體免疫的風險。

2. 環境觸發因素 (Environmental Triggers)：

   • 感染 (Infections)：許多自體免疫疾病的發作與感染有關。病原體可能通過幾種方式觸發自身免疫：
     • 分子模擬 (Molecular Mimicry)：病原體的抗原與自身抗原結構相似，免疫系統對病原體的反應交叉攻擊自身組織。
     • 旁觀者激活 (Bystander Activation)：感染引起的局部炎症和組織損傷會釋放大量自身抗原，並激活免疫細胞，即使這些免疫細胞最初並非針對自身抗原，也可能被誘導發生自身免疫。
     • 改變自身抗原 (Epitope Spreading)：感染可能導致自身抗原的結構改變或暴露，引起更廣泛的自身免疫反應。
     • 改變自身抗原的表觀遺傳學修飾。
   • 毒素和化學物質 (Toxins and Chemicals)：某些環境毒素（如矽塵、溶劑、藥物）可能損害組織，暴露自身抗原，或直接影響免疫細胞功能，誘發自體免疫。

腫瘤免疫逃逸 (Tumor Immune Evasion) 是腫瘤細胞為了在宿主體內生存和發展而發展出的一系列策略。腫瘤免疫監控 (Tumor Immuno-surveillance) 指的是免疫系統識別並清除早期腫瘤細胞的能力。腫瘤細胞通過多種機制逃脫免疫監視，主要可以歸納為以下幾類：

1. 腫瘤抗原的表達或性質改變 (Alteration of Tumor Antigen Expression)：

   • 抗原丟失 (Antigen Loss)：腫瘤細胞可能通過突變或表觀遺傳學改變，停止表達識別它們的腫瘤特異性抗原 (TSA) 或腫瘤相關抗原 (TAA)，從而「隱藏」自己。
   • 抗原呈遞缺陷 (Defects in Antigen Presentation)：腫瘤細胞可能下調或丟失主要組織相容性複合體 (MHC) 分子（特別是 MHC Class I），導致細胞毒性 T 細胞 (CTL) 無法識別和殺傷腫瘤細胞。
   • 抗原表位逃逸 (Epitope Escape)：腫瘤細胞可能只表達部分腫瘤抗原的表位，或者這些表位可能被免疫系統識別為「自身」，從而產生免疫耐受。

2. 免疫抑制微環境的建立 (Establishment of an Immunosuppressive Tumor Microenvironment, TME)：

   • 免疫抑制性細胞因子分泌：腫瘤細胞及其微環境中的細胞（如腫瘤相關巨噬細胞 TAMs, 腫瘤相關中性粒細胞 TANs）可以分泌免疫抑制性細胞因子，如 TGF-$\beta$、IL-10、VEGF 等，這些細胞因子會抑制 T 細胞的活化和功能，促進免疫抑制性細胞（如 Treg 細胞、MDSCs）的募集和功能。
   • 免疫抑制性細胞的招募與激活：
     • 調節性 T 細胞 (Treg)：富集於腫瘤微環境，通過抑制 CTL 和其他抗腫瘤免疫細胞來發揮作用。
     • 骨髓源性抑制細胞 (MDSCs)：能夠抑制 T 細胞、NK 細胞和 DC 的功能。
     • 腫瘤相關巨噬細胞 (TAMs)：腫瘤微環境中的 TAMs 通常表現為 M2 表型，具有免疫抑制和促進腫瘤生長、血管生成、轉移的作用。
   • 代謝重塑：腫瘤細胞和免疫細胞在微環境中競爭營養物質（如葡萄糖、氨基酸），改變微環境的代謝狀態，從而抑制免疫細胞的功能。例如，腫瘤細胞消耗大量葡萄糖，導致 T 細胞缺乏能量。