An experimentally-refined, dynamic gene regulatory network model of T-cell memory

经过实验改进的 T 细胞记忆动态基因调控网络模型

基本信息

  • 批准号:
    10368121
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 70.38万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-03-08 至 2026-02-28
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

An experimentally-refined, dynamic gene regulatory network model of T-cell memory Summary T cell memory induced by prior exposure to a pathogen or vaccination provides enhanced protection against a subsequent infection with the same pathogen. Enhanced protection is partially driven by clonal expansion, which leads to an increased number of T cells capable of recognizing the antigen. Additionally, memory T cells possess a “rapid recall ability” that allows them to fight pathogens by producing cytokines and other effector molecules within minutes of re-exposure (as opposed to days, upon initial exposure). We recently showed that rapid recall correlates with the epigenetic poising of enhancers and promoters of the “rapid-recall genes” in memory T cells. Importantly, the sites of epigenetic change significantly overlap with the risk loci for autoimmune and atopic disease, suggesting that this mechanism is important for human health. However, it is still unclear if and how the epigenetic poising causes enhanced expression of rapid recall genes. Furthermore, memory T cells persist for a lifetime; yet the mechanisms that maintain the memory epigenome – for decades– are not known. Our preliminary data suggest that rapid recall is coordinated by several families of transcription factors (TFs) and thousands of putative DNA regulatory elements. This complexity requires a systems-level, engineering approach. Thus, this proposal is a collaboration between the groups of Artem Barski, a T cell biologist, and Emily Miraldi, a mathematical modeler, to create experimentally validated, genome-scale models of memory immune responses across heterogeneous T cell populations. Aim 1. Using single-cell genomics, we will characterize the gene expression and chromatin dynamics of T cell activation in naïve and memory cells and build mathematical models that integrate these data (along with relevant existing genomics resources) into a dynamic gene regulatory network (GRN). Our GRN model will predict the molecular drivers (TFs) and regulatory elements that orchestrate rapid recall. Aim 2. Although T-cell activation in naïve and memory cells similarly promotes nuclear translocation of inducible TFs, our data lead us to hypothesize that chromatin remodeling upon initial pathogen exposure alters the occupancy of inducible TFs in memory T cells and that this is the basis of rapid recall. We will combine dynamic TF perturbation and occupancy experiments to establish the molecular interactions driving rapid recall. Aim 3. We will identify the mechanisms by which memory T cells maintain the epigenome conducive for rapid recall – over the human lifespan. We hypothesize that constitutive TFs maintain the epigenome poised for rapid recall. We propose dynamic TF perturbation experiments to uncover the identities of these regulators. This study will help uncover basic mechanisms of T cell memory and identify potential targets for manipulating immunologic memory responses. Because rapid recall is the basis for vaccination and central to allergy, asthma, and cancer immunity, this study will have a broad impact on human health.
经过实验改进的 T 细胞记忆动态基因调控网络模型 概括 先前接触病原体或接种疫苗所诱导的 T 细胞记忆可提供针对病原体的增强保护 随后感染相同病原体的增强保护部分是由克隆扩张驱动的。 导致能够识别抗原的 T 细胞数量增加。 “快速回忆能力”使它们能够通过产生细胞因子和其他效应分子来对抗病原体 重新暴露后几分钟内(而不是初次暴露后几天)我们最近证明了快速回忆。 与记忆 T 细胞中“快速回忆基因”的增强子和启动子的表观遗传平衡相关。 重要的是,表观遗传变化的位点与自身免疫和特应性的风险位点显着重叠 疾病,表明这种机制对人类健康很重要,但目前尚不清楚是否以及如何发挥作用。 表观遗传平衡会导致快速回忆基因的表达增强,此外,记忆 T 细胞会持续存在。 一生;然而,维持记忆表观基因组数十年的机制尚不清楚。 初步数据表明,快速回忆是由几个转录因子(TF)家族协调的 这种复杂性需要系统级的工程方法。 因此,该提案是 T 细胞生物学家 Artem Barski 和 Emily Miraldi 团队之间的合作, 数学建模者,创建经过实验验证的基因组规模的记忆免疫反应模型 跨异质 T 细胞群。 目标 1. 利用单细胞基因组学,我们将表征 T 细胞的基因表达和染色质动态 激活幼稚细胞和记忆细胞,并建立整合这些数据的数学模型(以及 相关的现有基因组学资源)将被整合到动态基因调控网络(GRN)中。 预测协调快速回忆的分子驱动因素(TF)和调控元件。 目标 2. 尽管幼稚细胞和记忆细胞中的 T 细胞激活同样会促进 诱导型转录因子,我们的数据使我们发现染色质重塑在初始病原体暴露时会发生变化 记忆 T 细胞中诱导型转录因子的占据,这是快速回忆的基础。 动态 TF 扰动和占用实验,以确定驱动快速回忆的分子相互作用。 目标 3. 我们将确定记忆 T 细胞维持有利于记忆的表观基因组的机制 快速回忆——在人类的一生中,我们一直在努力维持表观基因组的状态。 我们提出动态 TF 扰动实验来揭示这些调节器的身份。 这项研究将有助于揭示 T 细胞记忆的基本机制,并确定 T 细胞记忆的潜在靶点。 因为快速回忆是疫苗接种的基础,也是疫苗接种的核心。 过敏、哮喘和癌症免疫,这项研究将对人类健康产生广泛影响。

项目成果

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