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李贵登、张连军、陈路团队合作发现肿瘤内酸度维持T细胞干性影响肿瘤免疫治疗
作者：程洪成 来源自：中国免疫学会 点击数：9892 发布时间：2023-02-16
2023年1月30日，中国医学科学院系统医学研究院/苏州系统医学研究所（简称“系统所”）李贵登、张连军团队与四川大学华西第二医院陈路团队合作在Nature Metabolism《自然-代谢》在线发表题为“Extracellular acidosis restricts one-carbon metabolism and preserves T cell stemness（胞外酸度抑制一碳代谢维持T细胞的干性）”的研究论文。该研究发现，长期胞外酸处理T细胞可抑制MYC-SLC7A5轴，阻碍T细胞内甲硫氨酸的摄入，进而重编程T细胞内的一碳代谢及表观遗传图谱，促进线粒体代谢适应性，最终维持干性T细胞状态。
肿瘤微环境因素引起的免疫抑制性反应是导致T细胞免疫治疗效果不佳的主要诱因之一，这些不利的微环境因素能够诱导T细胞代谢压力并损害线粒体健康，最终导致肿瘤浸润T细胞（TILs）代谢紊乱及功能耗竭。已有报道显示肿瘤组织中低糖、低氧以及高胆固醇的微环境抑制了TILs的扩增、分化及效应功能。然而有趣的是，TILs中仍保留了一群具备一定自我更新能力且具有抗肿瘤效果的TCF1（T cell factor 1）+ T细胞亚群，即“干性样”肿瘤浸润T细胞（stem-like TILs），这一T细胞亚群是响应免疫检查点治疗（如anti-PD-1治疗）的主体细胞群体。然而，目前关于“干性样”T细胞亚群如何在肿瘤微环境中维持并存在的，尚不十分清晰。2016、2019年，Nicholas P. Restifo团队分别报道了肿瘤组织中过载的钾离子在抑制TILs效应功能的同时，通过重塑T细胞内的代谢维持了TILs的干性及自我更新能力。酸性微环境是实体瘤的显著特征之一，目前已有研究表明升高的胞外酸度能抑制T细胞的效应功能并影响其他免疫细胞如树突状细胞（DCs）和肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的活性及分化。然而，肿瘤内酸度是否参与调控“干性样”TILs的产生及维持目前尚不清楚。
首先，研究团队体外模拟酸性环境下（pH6.4-6.6）培养T细胞，发现长期酸处理可以显著促进小鼠及人“干性样”T细胞亚群的形成。此外，通过转录组学、代谢组学以及同位素（13C6-葡萄糖，13C16-棕榈酸）示踪技术发现，长期胞外酸处理能够抑制mTOR（Mammalian target of rapamycin）信号通路及糖酵解途径，促进T细胞内的脂肪酸氧化（FAO），增强线粒体适应性，从而维持“干性样”T细胞的代谢表征。进一步深入分析以及通过13C5-甲硫氨酸代谢流实验，发现胞外酸度的升高显著抑制T细胞内的甲硫氨酸摄入及一碳代谢（甲硫氨酸循环）。
机制上，一方面，长期胞外酸处理可抑制MYC的表达，降低T细胞表面甲硫氨酸转运体（SLC7A5）的表达，进而削弱T细胞对胞外甲硫氨酸的摄入，最终抑制S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的产生。S-腺苷甲硫氨酸作为组蛋白甲基化修饰的甲基供体，其减少会导致T细胞内组蛋白修饰的改变。另一方面，长期的胞外酸处理显著抑制甲基化酶EZH2的表达，最终减少了其调控的胞内H3K37me3表达水平。通过CUT&Tag测序发现胞外酸处理诱导的H3K27me3的减少促进了T细胞内干性相关基因的转录激活，最终维持了T细胞的干性特征。此外，发现回补外源性甲硫氨酸可显著恢复MYC-SLC7A5轴的表达及胞内甲硫氨酸代谢，并部分抑制了胞外酸度诱导的T细胞干性表型，进一步说明甲硫氨酸代谢确实参与酸诱导的T细胞干性这一过程。最后，研究团队将经体外长期酸处理所获得的OT-I以及CD19 CAR T细胞应用于小鼠黑色素瘤（B16-OVA）及人白血病细胞（K562-CD19）小鼠模型，结果显示，相比较于未经酸处理的T细胞，经体外长期酸处理的T细胞在小鼠体内展现出更强的持久性和抗肿瘤功能。
综上，该研究发现长期的酸性微环境暴露能够重编程T细胞内的甲硫氨酸代谢和表观遗传图谱，从而维持了T细胞的干性表型。该研究揭示了酸性微环境在T细胞抗肿瘤免疫反应中扮演的新角色，为进一步理解酸性肿瘤微环境与T细胞功能分化之间的联系提供了更深入的认识和思考。
系统所李贵登研究员、张连军研究员与四川大学华西第二医院陈路教授为共同通讯作者。系统所助理研究员程洪成博士、2020级协和博士研究生邱雅静、科研助理许悦和四川大学华西第二医院博士研究生陈莉为共同第一作者。该研究获得国家自然科学基金（81972875，81971466）、国家重点研发计划（2017YFA0106800）、江苏省杰出青年基金（BK20211505，BK20220049）和中国医学科学院医学与健康科技创新工程（2021-I2M-1-047，2021-I2M-1-061，2022-I2M-2-004）等项目支持。
就本项研究，Nature Metabolism同期配发了加拿大温哥华卑诗省儿童医院研究所Ramon I. Klein Geltink的评述：“本研究发现了酸性环境维持T细胞干性的新机制，证实了长期酸处理促进T细胞内线粒体的代谢适应性，并通过抑制MYC-SLC7A5轴阻碍T细胞内甲硫氨酸摄入和一碳代谢，重塑T细胞内的表观遗传谱，诱导T细胞‘干性样’基因表达程序。”
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s42255-022-00730-6
https://doi.org/10.1038/s42255-023-00738-6
肿瘤微环境因素引起的免疫抑制性反应是导致T细胞免疫治疗效果不佳的主要诱因之一，这些不利的微环境因素能够诱导T细胞代谢压力并损害线粒体健康，最终导致肿瘤浸润T细胞（TILs）代谢紊乱及功能耗竭。已有报道显示肿瘤组织中低糖、低氧以及高胆固醇的微环境抑制了TILs的扩增、分化及效应功能。然而有趣的是，TILs中仍保留了一群具备一定自我更新能力且具有抗肿瘤效果的TCF1（T cell factor 1）+ T细胞亚群，即“干性样”肿瘤浸润T细胞（stem-like TILs），这一T细胞亚群是响应免疫检查点治疗（如anti-PD-1治疗）的主体细胞群体。然而，目前关于“干性样”T细胞亚群如何在肿瘤微环境中维持并存在的，尚不十分清晰。2016、2019年，Nicholas P. Restifo团队分别报道了肿瘤组织中过载的钾离子在抑制TILs效应功能的同时，通过重塑T细胞内的代谢维持了TILs的干性及自我更新能力。酸性微环境是实体瘤的显著特征之一，目前已有研究表明升高的胞外酸度能抑制T细胞的效应功能并影响其他免疫细胞如树突状细胞（DCs）和肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的活性及分化。然而，肿瘤内酸度是否参与调控“干性样”TILs的产生及维持目前尚不清楚。
首先，研究团队体外模拟酸性环境下（pH6.4-6.6）培养T细胞，发现长期酸处理可以显著促进小鼠及人“干性样”T细胞亚群的形成。此外，通过转录组学、代谢组学以及同位素（13C6-葡萄糖，13C16-棕榈酸）示踪技术发现，长期胞外酸处理能够抑制mTOR（Mammalian target of rapamycin）信号通路及糖酵解途径，促进T细胞内的脂肪酸氧化（FAO），增强线粒体适应性，从而维持“干性样”T细胞的代谢表征。进一步深入分析以及通过13C5-甲硫氨酸代谢流实验，发现胞外酸度的升高显著抑制T细胞内的甲硫氨酸摄入及一碳代谢（甲硫氨酸循环）。
机制上，一方面，长期胞外酸处理可抑制MYC的表达，降低T细胞表面甲硫氨酸转运体（SLC7A5）的表达，进而削弱T细胞对胞外甲硫氨酸的摄入，最终抑制S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的产生。S-腺苷甲硫氨酸作为组蛋白甲基化修饰的甲基供体，其减少会导致T细胞内组蛋白修饰的改变。另一方面，长期的胞外酸处理显著抑制甲基化酶EZH2的表达，最终减少了其调控的胞内H3K37me3表达水平。通过CUT&Tag测序发现胞外酸处理诱导的H3K27me3的减少促进了T细胞内干性相关基因的转录激活，最终维持了T细胞的干性特征。此外，发现回补外源性甲硫氨酸可显著恢复MYC-SLC7A5轴的表达及胞内甲硫氨酸代谢，并部分抑制了胞外酸度诱导的T细胞干性表型，进一步说明甲硫氨酸代谢确实参与酸诱导的T细胞干性这一过程。最后，研究团队将经体外长期酸处理所获得的OT-I以及CD19 CAR T细胞应用于小鼠黑色素瘤（B16-OVA）及人白血病细胞（K562-CD19）小鼠模型，结果显示，相比较于未经酸处理的T细胞，经体外长期酸处理的T细胞在小鼠体内展现出更强的持久性和抗肿瘤功能。
综上，该研究发现长期的酸性微环境暴露能够重编程T细胞内的甲硫氨酸代谢和表观遗传图谱，从而维持了T细胞的干性表型。该研究揭示了酸性微环境在T细胞抗肿瘤免疫反应中扮演的新角色，为进一步理解酸性肿瘤微环境与T细胞功能分化之间的联系提供了更深入的认识和思考。
系统所李贵登研究员、张连军研究员与四川大学华西第二医院陈路教授为共同通讯作者。系统所助理研究员程洪成博士、2020级协和博士研究生邱雅静、科研助理许悦和四川大学华西第二医院博士研究生陈莉为共同第一作者。该研究获得国家自然科学基金（81972875，81971466）、国家重点研发计划（2017YFA0106800）、江苏省杰出青年基金（BK20211505，BK20220049）和中国医学科学院医学与健康科技创新工程（2021-I2M-1-047，2021-I2M-1-061，2022-I2M-2-004）等项目支持。
就本项研究，Nature Metabolism同期配发了加拿大温哥华卑诗省儿童医院研究所Ramon I. Klein Geltink的评述：“本研究发现了酸性环境维持T细胞干性的新机制，证实了长期酸处理促进T细胞内线粒体的代谢适应性，并通过抑制MYC-SLC7A5轴阻碍T细胞内甲硫氨酸摄入和一碳代谢，重塑T细胞内的表观遗传谱，诱导T细胞‘干性样’基因表达程序。”
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s42255-022-00730-6
https://doi.org/10.1038/s42255-023-00738-6