导读
背景：
细胞需要 ATP 来维持功能稳态，它们通过氧化葡萄糖和脂肪酸产生 ATP。氨基酸在脱氨后可以进入能量产生循环，产生活性氧 (ROS) 和氨作为潜在有害的副产品。长寿的细胞必须具有去除活性氧和氨的机制。
CD8+ T 细胞是细胞免疫的主要效应细胞，在抗原暴露后经历激活和分化。效应 T 细胞 (Teff) 在清除抗原后发生收缩，并分化为记忆 T (Tmem) 细胞。在慢性感染和癌症过程中，效应T细胞受到慢性抗原刺激，营养应激、抑制因子和炎症信号可促使T细胞逐渐丧失效应功能，表达高水平的抑制性受体，自我防御能力较差。这些转录、表观遗传和代谢上不同的细胞被称为“耗尽的 T”(Tex) 细胞。Tex 细胞具有独特的代谢特征：与记忆、效应和祖细胞 Tex 细胞相比，Tex 细胞存在功能失调的线粒体和氧化磷酸化减少。OXPHOS代谢，这会导致 Tex 细胞内 NAD+/NADH 比例降低并积累氨。在《自然免疫学》最近发表的一份报告中，Weisshaar 等人证明苹果酸穿梭机可以解氨氨（通过胞质酶谷氨酸草酰乙酸转氨酶 1 [GOT1] 在非典型反应中介导的 2-KG 产生）并挽救慢性感染 - 诱导 Tex 细胞抵抗氨诱导的细胞死亡。此外，他们的研究表明，在淋巴细胞性脉络膜脑膜炎病毒（LCMV）克隆13慢性感染模型中，给T细胞补充2-KG，而不是增加NAD+/NADH比率，可以解毒GOT1缺陷的T细胞中的氨，并恢复抗病毒反应 。
不同的 T 细胞亚群具有不同的代谢特征，尤其是对糖酵解和线粒体 OXPHOS 的依赖。细胞质中产生的 NADH 通过苹果酸-天冬氨酸穿梭机被带到线粒体，该穿梭机维持细胞质和线粒体区室中的 NAD+/NADH 比率。GOT1（或天冬氨酸转氨酶）是苹果酸天冬氨酸穿梭中的关键酶，可从 2-KG 和天冬氨酸生成草酰乙酸和谷氨酸。T 细胞受体 (TCR) 刺激会诱导 GOT1 表达，慢性抗原暴露会导致 GOT1 持续表达。在 LCMV Armstrong 急性感染中病毒清除后，Tmem 细胞中的 GOT1 表达显着降低，而在 LCMV CL13 感染的慢性暴露过程中其表达保持不变。
为了了解 GOT1 在 T 细胞适应性免疫中的作用，Weisshaar 及其同事开发了 T 细胞特异性 GOT1 缺陷小鼠模型。在稳态条件下，GOT1 缺失对胸腺 T 细胞发育或稳态 T 细胞增殖没有影响。然而，GOT1缺陷的KO和野生型（WT）病毒特异性T细胞在病毒感染过程中表现不同。感染后第 30 天 (p.i.)，WT T 细胞的表现优于 GOT1 缺陷的 T 细胞，表明 GOT1 对于慢性感染环境中功能性 CD8 T 细胞的存活和增殖是不可或缺的。此外，Weisshaar 及其同事测量了与苹果酸-天冬氨酸穿梭和 NAD+/NADH 比率相关的不同代谢物，发现 GOT1 缺陷细胞中的 NAD+/NADH 比率降低，同时 2-KG 和苹果酸减少，但在注射后第 30 天氨浓度却惊人地高。由 LCMV CL13 感染。用 2-KG 补充 GOT1 缺陷的 T 细胞，而不是用烟酰胺核苷 (NR) 和烟酰胺单核苷酸 (NMN) 等 NAD+ 前体分子，可以完全恢复慢性感染中的细胞数量。
为了回答 2-KG 介导的 GOT1 缺陷细胞数量恢复是否是在表观遗传水平介导的（因为 2-KG 是组蛋白和 DNA 去甲基酶的激活剂），Weisshaar 及其同事用 GSK-J4 和 2-KG 治疗了受感染的宿主。HG（组蛋白和 DNA 去甲基酶抑制剂）联合 2-KG 治疗。然而，2-KG 的促生存和氨解毒性质并未受到抑制剂处理的影响，这表明它不是通过表观遗传修饰发生的，转座酶可及染色质测序分析 (ATAC-seq) 进一步支持了这一点。Got1 位点的开放染色质状态也表明，虽然 TCR 刺激在转录水平上诱导 GOT1 表达，但在表观遗传水平上并没有通过激活组蛋白和 DNA 去甲基酶而受到影响。
小结：
众所周知，苹果酸穿梭机可以维持细胞质和线粒体之间 NAD+/NADH 的平衡。然而，在 Tex 细胞中，它主要对氨进行解毒（通过非典型反应中 GOT1 介导的 2-KG 产生），并为慢性感染诱导的 Tex 细胞提供长寿，以抵抗氨诱导的细胞死亡。
论文ID
原名：The malate shuttle detoxifies ammonia in exhausted T cells by producing 2-ketoglutarate
译名：苹果酸穿梭机通过产生 2-酮戊二酸对耗尽的 T 细胞中的氨进行解毒
期刊： nature immunology
影响因子：31.250
发表时间：2023.10.9
发表单位：德国亥姆霍兹转化肿瘤学研究所 (HI-TRON)
原文链接： https://doi.org/10.1038/s41590-023-01636-5
封面：
内容：
缺乏 GOT1 的 T 细胞中氨水平升高会导致细胞凋亡、增殖减少。GOT1 需要同化氨，因为在 2-KG 存在的情况下使用 15N-示踪剂标记的 NH4Cl，产生 15N-示踪剂标记的谷氨酸。相反，在 LCMV Armstrong 急性病毒感染模型中，作者发现 GOT1 表达在初始效应阶段（第 8 天）较高，但在病毒清除第 30 天（记忆状态）后则不然。此外，GOT1 缺陷减少了病毒特异性 T 细胞的数量/频率，并减少了增殖、细胞因子和 NAD+/NADH 比率，但在效应时间点而非第 30 天，细胞内氨水平没有变化。补充 NAD+ 前体但不补充 2-KG 恢复了效应阶段（第 8 天）病毒特异性 T GOT1 缺陷 T 细胞的数量和功能。这些结果表明，GOT1 在急性感染期间的重要作用取决于其维持氧化还原平衡的传统功能。
作者进一步证实了 GOT1 缺陷的影响是由于氨积累造成的，因为用氨处理的 GOT1 缺陷和 GOT1 充足的 WT T 细胞的 ATAC-seq 显示出与差异最小的表达基因的高度相似性。GOT1 缺陷会影响转录谱（生存因子减少、凋亡蛋白增加、增殖减少、Tox 减少）和表观遗传景观（Bcl2 和 Tcf7 不易接近），与氨处理类似。
糖酵解过程从细胞质中的氧化形式 NAD+ 生成 NADH。这些 NADH 分子可能注定要传递到电子传递系统以产生 ATP，但线粒体内膜对 NADH 是不可渗透的。苹果酸-天冬氨酸穿梭机进化为将糖酵解过程中产生的电子转移穿过线粒体的半透内膜以获取 OXPHOS。然而，正如糖尿病组织 (T1D) 中报道的那样，过量底物（例如，通过多元醇途径的葡萄糖、游离脂肪酸和乳酸）的氧化会导致 NAD+/NADH 比例失衡。
通过呼吸测定法进一步监测 CD8+ Tex 细胞中的电子流表明，Tex 细胞对电子传递链 (ETC) 不同复合物的抑制剂和底物处理反应较差。用抗霉素 A（复合物 III 抑制剂）和叠氮化物（复合物 IV 抑制剂）或 NH4OH 处理的 Tmem 细胞显示出与 Tex 细胞相似的耗氧率 (OCR) 模式。所有这些结果清楚地表明，与 Tmem 细胞相比，通过 ETC 的电子传输受到抑制，这得到了其他近期研究的支持。Vardhana 等人已经表明，持续的抗原刺激会损害 ADP 偶联的 OXPHOS，导致增殖减少。
胞质 GOT1 通常利用天冬氨酸和 2-KG 生成谷氨酸和草酰乙酸。草酰乙酸将谷氨酸还原为苹果酸，苹果酸转移到线粒体内膜，同时将一个 2-KG 分子从线粒体基质转移到胞质溶胶。然而，在 ETC 抑制的情况下，GOT1 在胞质溶胶中逆转生成天冬氨酸，这部分补偿了线粒体天冬氨酸合成的损失。基于这一报道的现象，Weisshaar 和同事认为，已经损害 OXPHOS 的 Tex 细胞是否表现出 这种非典型的化学反应。用 13C 示踪剂标记的苹果酸脉冲 Tmem 或 Tex 细胞后，WT 和 GOT1 缺陷型 CD8+ Tmem 细胞产生相当量的 13C 示踪剂标记的天冬氨酸，而 GOT1 缺陷型 CD8+ Tex 细胞产生的 13C 示踪剂标记的天冬氨酸少于 WT CD8+ Tex 细胞 ，表明 CD8+ Tex 细胞需要 GOT1 从苹果酸生成天冬氨酸，但 Tmem 细胞经历传统的苹果酸穿梭，不需要 GOT1 生成天冬氨酸。作者通过一系列优雅的示踪实验表明，尽管 Tmem 和 Tex 细胞都表现出相似的初始谷氨酰胺脱氨步骤，但 Tex 细胞比 CD8+ Tmem 细胞更依赖 GOT1 介导的氨清除剂生成途径，CD8+ Tmem 细胞经历了 GDH1 依赖性脱氨。
总结：
总体而言，在这项出色的研究中，Weisshaar 及其同事明确表明，慢性 TCR 刺激会诱导 CD8+ Tex 细胞中的 GOT1，从而重新连接谷氨酰胺代谢，产生 2-KG，从而解氨并促进 CD8+ Tex 细胞代谢健康。这进一步巩固了免疫信号和代谢信号之间的关键联系，这些信号在疾病中驱动 T 细胞的命运和功能。重要的是，当前的研究为开发针对癌症和慢性感染的有效的基于检查点封锁或过继性 T 细胞疗法（例如 CAR-T 细胞、肿瘤浸润淋巴细胞 [TIL] 疗法）提供了概念验证数据。
转自：“生物医学科研之家”微信公众号
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