Nature：不同的线粒体代谢模式影响T细胞的分化和功能
发布时间：2020-10-23 16:43:05 复禾健康
CD4细胞是人体免疫系统中的一种重要免疫细胞，在整个激活阶段需要进行代谢重编程。在CD4T细胞中，T细胞受体的连接以及细胞因子信号的共同刺激下可诱导糖酵解合成代谢，这是细胞快速增殖所必需的。CD4T细胞分化和功能可通过信号传导和转录重构协调进行，然而目前尚不清楚这些过程是否可由细胞中的代谢成分独立调节。因此，来自耶鲁大学医学院免疫生物学系的科学团队与2020年在Nature上，发表了一篇关于“不同的线粒体代谢模式影响T细胞的分化和功能”的研究。
研究发现：
1）天冬氨酸是TH1增殖所必需的。
2）线粒体柠檬酸盐的消耗和苹果酸-天冬氨酸穿梭促进组蛋白乙酰化，并调节参与T细胞活化的基因表达。
3）苹果酸-天冬氨酸、线粒体柠檬酸盐的消耗提供了T细胞活化早期增殖和表观遗传重塑所需的底物，为细胞分化及功能的形成提供能量。
部分研究展示：
1）TCA循环酶的活性对TH1细胞的激活是必需的
先前的研究表明，TCA循环可通过分别生成NADH和琥珀酸盐生成复合物I和复合物II来促进线粒体氧化还原的电子传递（ETC）。然而，ETC在T细胞活化后期的作用尚不清楚。为了测试TCA循环对效应T细胞功能的贡献，研究人员使用TCA循环抑制剂氟乙酸钠处理在TH1条件下培养的细胞。在T细胞培养的第1天滴定氟乙酸钠或糖酵解抑制剂2-脱氧-d-葡萄糖（2DG；TH1细胞激活抑制剂，用作阳性对照），并在第3天测定细胞增殖，第5天检测Ifng-Katushka的基因表达。结果发现，虽然2DG在低剂量下比氟乙酸钠更有效，但两种抑制剂都以剂量依赖的方式损害Ifng-Katushka的转录和T细胞增殖，这表明TCA循环酶的活性对TH1细胞的最佳激活是必需的。
为了评估TCA循环的下游过程对辅助性T细胞增殖和功能的作用，研究人员在第2天（评估增殖）或第4天（评估细胞因子生成）用ETC抑制剂治疗TH1细胞，并在第二天对细胞进行分析。与2DG或氟乙酸钠破坏TCA循环不同，ETC抑制剂会导致增殖和功能的阻滞。虽然琥珀酸脱氢酶（复合物II）的抑制并不损害增殖，但阻断复合物I和复合物II导致分裂细胞的数量减少。这表明无论细胞因子所处环境如何，复合体I都支持细胞分裂。
2）线粒体代谢的变化促进组蛋白乙酰化并调节参与T细胞活化的基因表达
为了测试除了与辅助性T细胞分化有关的增殖过程是否受到影响，研究人员分析了SDH缺乏对组蛋白乙酰化的影响。研究发现，SdhccKO细胞表现出H3K9乙酰化的增加，DMM（丙二酸二甲酯）处理以及Sdha靶向sgRNA的输送增加了H3K9和H3K27的乙酰化。这表明复合物II通过对增殖和组蛋白乙酰化的负调节来对抗T辅助细胞分化。
为了测试复合物II在促进TH1细胞功能程序的其他方面的作用，研究人员在细胞激活后第5天评估了Sdhc-cKO和野生型细胞中TBET蛋白的表达。与IFNγ产生缺陷一致，Sdhc-cKO小鼠TH1细胞TBET蛋白表达水平降低。RNA测序的结果与TBET表达降低一致，复合物II缺陷的小鼠表现出TH1细胞关键基因和T辅助细胞激活过程中重要基因的表达显著降低。这些数据表明SDH活性是线粒体代谢支持TH1细胞功能的主要机制。
3）苹果酸-天冬氨酸代谢为T细胞分化提供能量
前期的研究数据表明苹果酸-天冬氨酸和线粒体柠檬酸盐的消耗是TH1细胞增殖和转录重构所必需的。为了研究可能解释这些观察结果的生化机制，研究人员对以Slc25a1（线粒体柠檬酸载体）或Slc25a11-sgRNA为靶点的T细胞进行了质谱分析。结果发现，柠檬酸盐转运的中断会导致细胞乙酰辅酶A水平的降低。靶向Slc25a11导致细胞NADH/NAD+比率降低，这表明在激活的TH1细胞中复合物I的活性是调节细胞NADH/NAD+的主要机制。
此外，靶向Slc25a1或靶向Slc25a11-sgRNA均会导致戊糖磷酸途径中间产物和N-氨甲酰-L-天冬氨酸（核苷酸合成的基本前体分子）的中间产物水平降低。同时观察到复合物I支持早期T辅助细胞增殖，而苹果酸-天冬氨酸代谢为复合物I提供能量底物。众多数据表明，线粒体对复合物I的调节决定了T细胞增殖过程中所需的代谢能量。
小结：
本研究结合药理学、转录组学和代谢组学的方法，展示了TH1细胞在激活过程中如何满足分化和功能的不同代谢需求。为提供细胞增殖和表观遗传重构所需的底物，早期激活的辅助性T细胞通过苹果酸-天冬氨酸和线粒体柠檬酸盐的消耗为复合物I提供燃料。与苹果酸-天冬氨酸（将苹果酸交换为α-酮戊二酸）不同，复合物II将碳代谢向前移动。这些发现说明了T细胞的分化和功能是如何由不同的代谢模块调控的，为阐明免疫细胞的生长和调控机制提供了科学依据。
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