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靶向代谢冗余实现致病性Th17细胞的选择性抑制：一项突破性研究
一、作者与发表信息
本研究由Lin Wu（纽约大学医学院Skirball研究所）、Kate E.R. Hollinshead（纽约大学放射肿瘤学系）、Yuhan Hao（纽约基因组中心）等共同完成，通讯作者为Lin Wu和Dan R. Littman（纽约大学医学院）。研究于2020年8月6日发表在Cell期刊（卷182，页码641–654），标题为《Niche-Selective Inhibition of Pathogenic Th17 Cells by Targeting Metabolic Redundancy》。
二、学术背景
科学领域：免疫代谢（Immunometabolism）与自身免疫疾病治疗。
研究动机：Th17细胞在稳态（如肠道菌群防御）和病理（如自身免疫疾病）状态下功能迥异，但现有疗法（如IL-17/IL-23抗体）无法区分二者，导致感染风险。团队提出通过靶向代谢通路选择性清除致病性Th17细胞。
关键背景知识：
1. Th17细胞的双重角色：依赖转录因子RORγt，稳态Th17维持黏膜屏障，而致病性Th17驱动多发性硬化（EAE模型）和结肠炎。
2. 代谢可塑性：糖酵解（glycolysis）和氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OxPhos）可相互补偿，但缺氧环境限制OxPhos。
3. GPI1的独特地位：葡萄糖磷酸异构酶（glucose phosphate isomerase, GPI1）是糖酵解第二步酶，其缺失可能通过戊糖磷酸途径（pentose phosphate pathway, PPP）和线粒体呼吸代偿。
三、研究流程与方法
研究分为以下关键步骤：
单细胞RNA测序筛选靶点
- 对象：从EAE（实验性自身免疫性脑脊髓炎）和SFB（分段丝状细菌）诱导的小鼠模型中分选Th17细胞。
- 方法：通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）比较两组细胞的代谢基因表达差异，发现致病性Th17高表达糖酵解基因（如GPI1、TPI1）。
CRISPR-Cas9基因编辑验证
- 实验设计：利用CRISPR敲除（KO）糖酵解基因（GPI1、TPI1、LDHA等），将编辑后的2D2 TCR转基因T细胞过继转移至EAE或SFB模型小鼠。
- 创新方法：开发了“电穿孔-转移”系统，通过共转导对照基因（OLFR2）和靶基因gRNA，实现体内效率验证（KO效率80–90%）。
代谢补偿机制解析
- 同位素示踪（13C标记）：发现GPI1 KO的稳态Th17细胞通过PPP分流和增强线粒体呼吸维持代谢通量；而致病性Th17因缺氧无法代偿。
- Seahorse能量代谢分析：证实GPI1 KO细胞ATP依赖线粒体呼吸，但在缺氧（3% O2）下ATP骤降。
微环境缺氧验证
- 缺氧探针（pimonidazole）：显示EAE模型的脊髓（SC）比稳态肠道（SILP）更缺氧。
- HIF1α功能研究：通过骨髓嵌合体实验证明HIF1α缺失仅影响致病性Th17，进一步支持缺氧的关键作用。
四、主要结果
GPI1的选择性需求：
- 致病性Th17（EAE和结肠炎模型）中GPI1 KO导致细胞数量减少75%，而稳态Th17（SFB模型）无显著影响（图2）。
- 机制：缺氧限制OxPhos补偿，导致GPI1 KO的致病性Th17能量危机（图6）。
代谢代偿途径：
- PPP分流：GPI1 KO细胞PPP活性增加3倍，维持生物合成前体（如丝氨酸、甘氨酸）（图3, 5）。
- 线粒体呼吸增强：稳态Th17通过PDHA1（丙酮酸脱氢酶）上调呼吸链活性（图4）。
治疗潜力验证：
- GPI1抑制剂在贫血患者中耐受性良好（OMIM数据），提示其临床安全性。
五、结论与价值
- 科学价值：首次揭示代谢冗余的微环境依赖性，提出“缺氧敏感性”可作为靶向治疗策略。
- 应用价值：GPI1抑制剂有望选择性清除自身免疫疾病中的致病性Th17，避免现有疗法的感染风险。
六、研究亮点
- 创新方法：CRISPR-electroporation转移系统实现体内基因功能高通量筛选。
- 理论突破：提出“代谢补偿阈值”概念，即缺氧环境决定代谢冗余的失效边界。
- 转化意义：为靶向代谢的精准免疫治疗提供新范式。
七、其他价值
研究还发现：
- TPI1（磷酸丙糖异构酶）是Th17的普适必需基因，而LDHA（乳酸脱氢酶A）仅部分依赖，提示糖酵解步骤的异质性需求。
- 单细胞数据揭示炎症Th17高表达T-bet和IFN-γ（Th1*表型），拓展了对Th17可塑性的认知。
该研究通过多组学整合和精准基因编辑，为自身免疫疾病的代谢干预提供了里程碑式证据。