背景强直性脊柱炎是一种慢性炎症性疾病,在世界范围内流行。四十五年前,强直性脊柱炎的患病率被发现与人类白细胞抗原(HLA)I类表面分子HLA-B27的表达有关,并且超过90%的AS患者携带至少一个HLA-B27等位基因。除HLA-B27外,全基因组关联研究(GWASs)发现内质网氨肽酶1(ERAP1)基因的多样性是强直性脊柱炎的危险因素,ERAP1多态性变体仅影响携带HLA-B27等位基因的患者的疾病易感性。ERAP1的功能是处理I类MHC呈递的抗原肽。尽管这种联系证明AS是一种与MHC I类分子HLA-B27呈递的导致关节炎的抗原肽强烈相关的自身免疫疾病,但αββT细胞在强直性脊柱炎发病中所起的作用仍然难以捉摸。其中有两个主要的谜团:1)当清除CD8T细胞时,强直性脊柱炎的动物模型的疾病表型依然没有减弱,然而强直性脊柱炎的动物模型来源的CD4 T细胞却可以转移强直性脊柱炎的疾病表型;2)如果CD4 T细胞驱动强直性脊柱炎的发病机制,那么MHC-I类分子HLA-B27是如何激活这些识别MHC-II抗原的CD4 T细胞的机制尚不清楚。而且,与以往的临床研究一致,我们发现,与健康受试者相比,强直性脊柱炎患者的T细胞表型仅仅表现出微不足道的差异。方法在基于二代深度测序的T细胞受体β链免疫组库分析技术的帮助下,我们分析了具有不同疾病活动程度的强直性脊柱炎患者的T细胞亚群的免疫组库。尽管近年来TCRP免疫组库测序已经成为一种广泛应用的技术,但其临床应用仍然受到T细胞免疫组库复杂性的限制。由于个体一生中会持续接触环境中的抗原,因此T细胞免疫组库中的有意义信息通常被无关的T细胞克隆变化的噪声所掩盖。因此,针对特定抗原的T细胞应答的量化分析是T细胞免疫组库测序应用于临床检测所面临的核心难题,特别是对于抗原未知疾病,如强直性脊柱炎。为了应对这一挑战,我们开发了几种生物信息学工具来评估来自T细胞免疫组库中T细胞反应的变化。渐近式多样性分析(asymptotic diversity profile)丰富度(richness),香农指数(Shannon index)和辛普森指数(Simpson index)等多样性指数经常用于评估免疫组库中的T细胞克隆频率分布,多样性指数可以分析T细胞克隆扩增和选择的状态。然而,基于不同多样性指数的这些分析可能产生不同的结果。实际上,这些不同的多样性指数的差异在于对扩增的克隆型使用不同的权重(weight)。为了保证多样性分析的可靠性,我们基于Hill多样性指数,对权重进行连续性取值来分析渐近式的多样性分布。Top[N]相似性分析jaccard指数和morisita指数之类的相似性指数经常用于评估两个T细胞免疫组库之间的克隆型重叠,并且代表共同的T细胞应答。以往的研究通常分别分析克隆型扩增和克隆型重叠。在我们的研究中,我们开发了一种新的相似性分析方法Top[N]指数,用于评估扩增的克隆型的重叠,该方法侧重于反应共同T细胞反应下的克隆扩增。区分抗原特异性T细胞应答的“基序分析”算法近年来,大量结构生物学研究清楚地表明,并非CDR3的每个氨基酸都需要参与T细胞受体-抗原肽-主要组织相容性复合体的相互作用。相反,抗原识别依赖于CDR3环状结构中仅由少数几个(3-4)氨基酸形成的热点(hotspot)。因此,可以想象传统的相似性分析错误地排除了具有相同结合热点但在CDR3其他位置具有不同氨基酸的TCR,而这些TCR可识别共同的抗原。因此,为了提高基于抗原特异性的相似性分析的准确性,我们开发了一种新的计算框架,用于分析T细胞免疫组库的抗原特异性差别——基序分析(motif analysis)。基于识别抗原的CDR3基序,“基序分析”算法对于我们在这些没有相同CDR3序列的T细胞受体中搜索抗原特异性信息至关重要。我们使用了超过400个T细胞免疫组库数据,开发并验证了“基序分析”算法。该方法能够从T细胞免疫组库中可靠地解析抗原特异性T细胞应答,可以应用于各种基于T细胞免疫组库的临床免疫监测,例如癌症免疫治疗。结果使用自主研发的生物信息学方法,我们研究了来自一个临床队列的强直性脊柱炎患者的CD8+,CD4+CD45RA+和CD4+CD45RO+T细胞中的TCR谱,并获得了一些有趣的结果:1)强直性脊柱炎的疾病进展与CD4+CD45RA+T细胞克隆扩增相关。2)具有活动性疾病的强直性脊柱炎患者中存在共同抗原刺激导致的CD4+CD45RO+和CD8+T细胞活化。3)与其他T细胞介导的自身免疫疾病不同,强直性脊柱炎患者具有独特的T细胞抗原谱;此外,来自强直性脊柱炎患者的CD4和CD8 T细胞在抗原特异性上没有差异。4)我们发现了一个独特的T细胞群,其由表达相同T细胞受体的CD4和CD8 T细胞组成,在本文中被称为CD4/8 T细胞。CD4/8 T细胞在活动性强直性脊柱炎患者中高度富集和扩增。这些结果提供了一个T细胞克隆水平的证据揭示CD4/8 T细胞在强直性脊柱炎发展的病因学中的潜在作用。结论以上结果提供了直接证据支持三个主要结论:1)CD4+CD45RA+T细胞的扩增与强直性脊柱炎的疾病活动程度相关,这表明αβ T细胞活化可以介导强直性脊柱炎的疾病进展。2)对于高度活跃的疾病,CD4+CD45RO+和CD8+T细胞很可能被某些共同的自身抗原刺激;3)强直性脊柱炎疾病相关的CD4和CD8 T细胞克隆可能通过表达相同的T细胞受体而具有相同的抗原特异性。总而言之,这些发现调和了强直性脊柱炎领域存在的主要争议:CD4和CD8T细胞同样对于疾病的发展至关重要;并且,疾病相关的CD4 T细胞克隆可能识别HLA-B27,因为它们携带与CD8 T细胞完全相同的T细胞受体。综上所述,虽然我们的分析并没有直接找到强直性脊柱炎的抗原特征,但是该研究提供了强直性脊柱炎的疾病进展与患者的CD4和CD8 T细胞克隆扩增相关的直接证据。此外,我们发现这些疾病相关的CD4和CD8 T细胞共享相同的TCR序列,并将这群T细胞定义为CD4/8T细胞。