自身免疫疾病治疗——靶向乙酰辅酶A介导的代谢-表观遗传重编程

撰文 | 阿童木

责编 | 兮

自身免疫性疾病是一类由于人体免疫反应异常而导致免疫细胞攻击正常细胞所引起的疾病，几乎可发生在人体的任何部位。虽然自身免疫疾病具有病理异质性和组织特异性，但具有共同的免疫学特征，如T细胞介导的炎症等【1】。辅助性T细胞17(Th17)与大多数自身免疫性疾病的发病机制有关，靶向其效应细胞因子在多种自身免疫疾病的治疗中显示出良好的临床疗效。虽然促进Th17细胞致病性的分子机制仍不完全清楚，但越来越多的证据表明饮食因素（如“西方饮食”） 与代谢和炎症疾病密切相关，是诱发自身免疫疾病的重要风险因素【2】。虽然系统性代谢变化影响局部炎症发生的分子机制仍不明晰，但最近研究发现淋巴细胞的代谢重编程能够导致自身免疫性疾病的发生【3】。

初始T细胞通过丙酮酸和脂肪酸氧化生成ATP，分解代谢速率较低，但活化后的T细胞通过代谢重编程，即从氧化磷酸化转换为有氧糖酵解，以此为生物大分子的合成提供能量和中间代谢物，进而支持T细胞的增殖与效应器功能。葡萄糖作为免疫系统的通用“燃料“，能够通过3种结构不同的转运蛋白家族从环境中摄取——钠-葡萄糖连接转运蛋白 (SGLT) 在质膜上利用ATP依赖性钠梯度转运葡萄糖，而SLC2A家族的葡萄糖转运蛋白 (GLUTs) 和最近发现的SWEET (SLC50A1) 转运蛋白可促进葡萄糖的跨膜扩散【4】。作为关键的葡萄糖转运蛋白，GLUTs家族成员的表达具有组织异质性，但特定的GLUTs是否具有独特的生理功能仍不明确。以适应性免疫系统为例，T细胞GLUT1的特异性失活会导致葡萄糖摄取和糖酵解障碍，并抑制CD4+ T细胞的增殖和分化，但调节性T细胞的表型和功能并未受到影响，暗示了不同的T细胞亚群中可能存在不同的由GLUTs介导的葡萄糖摄取机制。

近日，德国维尔茨堡大学（Julius-Maximilians-Universität Würzburg）Martin Vaeth实验室在Cell Metabolism杂志发表了题为The glucose transporter GLUT3 controls T helper 17 cell responses through glycolytic-epigenetic reprogramming的研究长文，揭示了GLUT3通过糖酵解-表观遗传重编程控制Th17细胞炎症细胞因子的表达及自身免疫反应的机制，并进一步阐释了GLUT3及其下游ACLY（ATP-柠檬酸裂解酶）介导的乙酰辅酶A合成是炎症性T细胞的"代谢检查点"，可以作为治疗炎症和自身免疫性疾病的潜在靶点。

首先，作者发现活化T细胞（尤其是Th1和Th17细胞）的细胞膜上GLUT3的表达明显上调，且GLUT3（slc2a3）的表达模式是由NFAT、IRF4、STAT3 和 HIF-1α 通过整合抗原、共刺激和细胞因子信号传导而共同决定的。进一步分析T细胞中GLUT3的功能后，作者发现GLUT3缺陷型Th1和Th17细胞的葡萄糖摄取能力异常，糖酵解通量降低，但Th1和Th17细胞的增殖未见异常。此外，GLUT3失活并不会抑制Th1细胞产生IFNγ的能力，但会导致正常或病理状态下Th17细胞中IL-17、IL-2和GM-CSF的表达几乎完全被阻滞。诱导GLUT3表达会促进Th17细胞合成IL-17和GM-CSF，且异位表达GLUT3能够增强Th17细胞的效应器（effector）功能。可见，GLUT3能够在体外和体内条件下促进Th17细胞的分化和效应器功能。

接下来，作者利用T细胞介导的大脑和肠道感染模型探究了GLUT3在自身免疫反应中的作用。与对照相比，作者惊奇地发现T细胞特异性缺失GLUT3的小鼠完全没有表现出自身免疫性脑脊髓炎的症状，且淋巴细胞浸润到脊髓的程度减轻，中枢神经系统中炎性细胞因子的表达降低。GLUT3的T细胞特异性缺失能够通过减弱脑炎性Th17细胞的效应器功能而抑制小鼠自身免疫性疾病的发生。而在自身免疫性肠炎模型小鼠中，注射野生型致病性Th17细胞会导致小鼠肠炎的发生，而移植GLUT3缺陷型致病性Th17细胞后小鼠的自身免疫性肠炎的症状并不明显，且小肠和结肠中T细胞积累和IL-17的产生均显著降低。与之类似，病原感染条件下GLUT3缺陷会抑制IL-17表达及Th17细胞数量。因此，在自身免疫反应及病原感染状态下，GLUT3对Th17细胞的分化及效应器功能的维持不可或缺。

通过上述实验明确了GLUT3对Th17细胞分化及效应器功能的关键调节作用后，作者接下来探究了该调控作用背后的分子作用机制。对正常T细胞和GLUT3缺陷型T细胞的转录组分析发现GLUT3对Th1和Th17细胞的调控程序存在显著差异，GLUT3缺陷型Th17细胞中富集了大量与免疫细胞激活有关的通路，提示GLUT3并未影响Th17细胞的活化，但一些编码趋化因子及其受体的基因在GLUT3缺陷型T细胞中表达失调。有趣的是，参与代谢过程的基因（如线粒体呼吸和氨基酸代谢等）在GLUT3缺陷型Th17细胞中表达明显下调，除糖酵解之外，GLUT3依赖性葡萄糖摄取还影响了其他一系列线粒体相关的功能（如氧化磷酸化、线粒体基因表达等）。

随后，为了确定受损线粒体基因表达如何影响GLUT3缺陷型T细胞的代谢特征，作者对极性代谢物的变化进行了稳定同位素示踪。结果首先表明Th1和Th17细胞发生GLUT3缺陷后的代谢组改变存在显著不同，GLUT3缺陷型Th17细胞中乙酰辅酶A、苹果酸和延胡索酸等线粒体代谢物明显减少，其中乙酰辅酶A的降低最为剧烈，但GLUT3缺陷型Th1细胞中乙酰辅酶A仅略微减少。此外，代谢组富集分析还发现GLUT3 不仅支持糖分解性途径（如 Warburg效应、糖酵解和糖异生），还能维持线粒体的正常功能。Th17细胞比Th1细胞更依赖线粒体葡萄糖氧化，Th1细胞主要进行有氧糖酵解，而在Th17细胞中，GLUT3依赖性葡萄糖摄取不仅促进糖酵解，还能维持线粒体代谢稳定。

为进一步阐明GLUT3缺陷状态下乙酰辅酶A降低的原因，作者检测了正常型和GLUT3缺陷型Th17细胞中的柠檬酸盐和乙酰辅酶A的水平。首先，作者发现LC / MS分析中乙酰辅酶A水平降低主要是由于细胞质基质中乙酰辅酶A降低而导致的。其次，添加外源性乙酸盐可挽救 GLUT3 缺陷型Th17 细胞的细胞因子生成受损，GLUT3缺陷型Th17细胞中细胞因子减少主要是由于ACLY介导的线粒体来源的柠檬酸合成乙酰辅酶A过程发生异常。第三，活化T细胞中ACLY和GLUT3受诱导后的蛋白表达模式遵循相似的动力学特征，表明葡萄糖摄取和ACLY依赖性乙酰辅酶A的产生在Th17细胞中受到共同的调节。GLUT3下游ACLY控制的胞质乙酰辅酶A的产生是（致病性）Th17细胞免疫反应的关键代谢检查点。第四，Th17细胞的许多效应分子，包括细胞因子和趋化因子，都以乙酰辅酶A依赖性方式受到GLUT3和ACLY的共同调控。

胞质乙酰辅酶A是脂肪酸合成的底物，对蛋白质乙酰化（如组蛋白乙酰化）修饰也必不可少。因此，作者继续探究了脂肪酸从头合成或蛋白质乙酰化是否控制Th17细胞的细胞因子合成。首先，作者发现抑制脂类合成会阻滞Th17细胞分化过程中IL-17的合成，而抑制Acly活性会特异性抑制分化Th17细胞的再刺激过程中IL-17的合成。其次，GLUT3缺陷型Th17细胞中（组）蛋白乙酰化发生异常，且IL-17编码基因附近的乙酰化信号降低，表明GLUT3依赖性乙酰辅酶A合成能够以位点特异性方式控制表观遗传重塑。第三，不仅IL-17编码基因，GLUT3缺陷型Th17细胞中与其他细胞因子合成及线粒体稳态调节有关位点的乙酰化程度也呈现降低趋势。因此，GLUT3和ACLY参与了葡萄糖依赖性的乙酰化修饰调节，GLUT3依赖性乙酰辅酶A的生成是Th17细胞的表观遗传学重编程所必需的。

最后，作者评估了通过抑制ACLY而降低乙酰辅酶A水平这一方式缓解自身免疫反应的可能性。竞争性抑制Th17细胞的ACLY活性能够强烈降低乙酰辅酶A的产量，并能在不影响Th17细胞增殖的情况下抑制组蛋白H3乙酰化，并抑制IL-17的产生。此外，in vivo条件下抑制ACLY活性会缓解小鼠的自身免疫反应，并抑制脑原性T细胞的效应器功能。抑制ACLY活性也能降低从受试者体内分离得到人T细胞分泌的IL-17、IL-2等细胞因子的量，表明GLUT3和ACLY依赖性乙酰辅酶A的合成是炎症性T细胞的"代谢检查点"，可以作为治疗炎症和自身免疫性疾病的潜在靶点。

综上所述，本研究发现GLUT3在炎性T细胞中表达水平较高，并能控制Th17细胞的效应器功能。结合代谢组学、表观遗传学和转录组学分析手段，作者证明 GLUT3 对Th17细胞致炎性的调控是通过整合线粒体葡萄糖氧化和 ACLY 依赖性乙酰辅酶 A 生成，而影响组蛋白乙酰化及致炎相关基因的表达实现的。抑制GLUT3表达能够缓解Th17细胞介导的免疫反应，并保护小鼠免受自身免疫性结肠炎和脑脊髓炎的侵害。本研究提示了抑制乙酰辅酶A生成是未来治疗自身免疫疾病的一个潜在可行策略。

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.02.015

制版人：十一

参考文献

1. A.N. Theofilopoulos, D.H. Kono, R. Baccala. The multiple pathways to autoimmunity.Nat. Immunol., 18 (2017), pp. 716-724.

2. S.P. Nobs, N. Zmora, E. Elinav. Nutrition regulates innate immunity in health and disease.Annu. Rev. Nutr., 40 (2020), pp. 189-219.

3. Y. Alwarawrah, K. Kiernan, N.J. MacIver. Changes in nutritional status impact immune cell metabolism and function.Front. Immunol., 9 (2018), p. 1055.

4. D. Deng, N. Yan. GLUT, SGLT, and SWEET: structural and mechanistic investigations of the glucose transporters.Protein Sci., 25 (2016), pp. 546-558.

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