旧酒装新壶：肿瘤代谢那套也适用于免疫代谢研究

2022年5月23日，Nature Metabolism发表了题为Non-oxidative pentose phosphate pathway controls regulatory T cell function by integrating metabolism and epigenetics的研究文章。这项研究通过在免疫细胞Treg细胞上复现肿瘤细胞代谢研究的套路，揭示了非氧化PPP依赖性代谢网络在维持Treg细胞的抑制功能和免疫稳态中不可或缺的作用。

一、研究背景

作为细胞代谢的基本组成部分，非氧化戊糖磷酸途径PPP不仅连接糖酵解中间产物G3P和磷酸戊糖途径中间产物R5P，而且还调节代谢组织中葡萄糖衍生的碳进入TCA循环。根据细胞功能需求，TKT可逆地将非氧化PPP代谢物转化为糖酵解中间产物，包括G3P和F6P。

最近的研究结果强调了非氧化PPP对Teff介导的抗肿瘤免疫的贡献。然而，目前尚不清楚非氧化PPP是否调节Treg稳态和抑制功能。

二、研究思路

三、研究结果

1.Treg细胞特异性TKT敲除会导致自身免疫性疾病

Treg细胞特异性TKT敲除小鼠在出生后3周自发产生了致命的自身免疫疾病，寿命明显缩短，体重和体型降低，皮肤溃疡，耳朵和尾巴结痂，胸腺萎缩，脾肿大和淋巴结病。cKO小鼠胸腺细胞减少，脾脏和外周淋巴结细胞增加。此外，3周后，cKO小鼠在多个器官中出现大量淋巴细胞浸润，炎性细胞因子MCP-1、IL-6和TNF-α水平和血清中的IgE水平显著升高。

2.TKT调节Treg细胞的免疫稳态

出生3周后，相比于WT小鼠，cKO小鼠脾脏和外周淋巴结中CD8+T细胞、CD4+T细胞的频率和细胞数增加，Ki-67的表达也增加。此外，与WT对照组相比，cKO小鼠的CD44hiCD62Llo效应/记忆T细胞的百分比和数量增加。cKO小鼠在淋巴器官和外周器官中产生IFN-γ、IL-17A和IL-13的CD4+T细胞和产生IFN-γ的CD8+T细胞多于对照组。此外，cKO小鼠在胸腺和外周淋巴结中产生了更多的Treg细胞。这些结果表明Treg细胞中的TKT控制着免疫稳态，对于Treg细胞建立免疫耐受是必不可少的。

3.TKT敲除导致Treg细胞免疫抑制功能下降

接下来研究人员将Tconv细胞与3周龄WT或cKO小鼠的WT或cKO Treg细胞共培养进行了体外抑制试验，结果表明，与野生型细胞相比，cKO Treg细胞的体外抑制能力有所下降。研究人员继而使用从BMC小鼠中回收的TKT缺陷型Treg细胞进行了转移性结肠炎模型的体内抑制实验，实验结果表明TKT缺陷型Treg细胞在体内不能预防结肠炎，Rag1–/–受体小鼠体重减轻、脾肿大、结肠有淋巴细胞浸润，并且产生了大量炎性细胞因子。

4.TKT敲除导致活性Treg基因表达水平下降

为了探索TKT控制Treg抑制能力的机制，研究人员接下来分析了WT和TKT缺陷的Treg细胞的转录谱。值得注意的是，在cKO-Treg细胞中，近88%的差异表达基因下调。152个下调基因中有124个是aTreg标记基因，而21个上调基因中有13个是rTreg标记基因，表明在TKT缺失的情况下aTreg生成受损。接下来研究人员利用ATAC-seq探究了cKO-Treg的表观遗传改变，与转录谱结果一致，cKO-Treg细胞染色质可及性降低。这些结果表明，TKT缺乏通过干扰Treg转录组和表观遗传抑制Treg发挥免疫抑制功能。

5.TKT敲除导致代偿性氨基酸和脂肪酸分解代谢

接下来研究人员着手于TKT缺陷型天然Treg细胞的代谢改变，实验结果表明TKT敲除导致Treg细胞外酸化率降低，表明糖酵解减少。但是缺乏TKT的nTreg细胞的耗氧率大大提高，说明该细胞通过其他代谢途径增加了氧化磷酸化。随后，研究人员证实Treg细胞中TKT的缺失导致代谢重塑：葡萄糖分解代谢减少，脂肪酸和氨基酸分解代谢增强。

6.TKT敲除导致Treg细胞DNA高甲基化

利用代谢组学手段，研究人员发现在缺乏TKT的Treg细胞中，依赖性双加氧酶的辅助因子α-KG显著降低，TCA循环中主要的DNA和组蛋白去甲基化调节剂α-KG/琥珀酸和α-KG/延胡索酸比率也降低，导致5mC向5hmC的转化减少。高5mC 水平导致DNA高甲基化，低羟甲基化。DNA超甲基化导致了TKT缺陷Treg细胞中染色质可及性受损和Treg相关功能基因的转录组改变。

7.补充α-KG逆转TKT敲除的Treg表型改变

为了阐明α-KG对Treg细胞的功能的作用，研究人员用细胞渗透性α-KG类似物DMαKG预处理Treg细胞，在体外观察到WT Treg抑制活性增强。而体内实验也证明，DMαKG消除了cKO小鼠与WT小鼠之间促炎细胞因子、5hmC水平和活性Treg特征基因的表达差异。再次证明细胞内α-KG的降低是TKT缺陷的Treg细胞中相关基因表达改变和功能减弱的基础。

四、本文小结

这篇文章思路其实比较简单，我们简单梳理如下：

• 敲掉关键酶，观察细胞层面和动物层面的相关表型；

• 机制探索从免疫细胞的功能着手，分别深挖转录组水平和代谢的改变，最后用表观遗传将转录组水平改变和代谢重编程联系起来，提供了一个完整的机制；

• 最后利用机制中的关键分子，再次验证机制和表型，串联整个研究

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