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调节性T细胞作为代谢传感器

期刊:ImmunityDOI:10.1016/j.immuni.2022.10.006

本文发表于2022年11月8日的《Immunity》期刊,是一篇由Paola De Candia、Claudio Procaccini、Claudia Russo、Maria Teresa Lepore及Giuseppe Matarese联合撰写的学术观点(Perspective)文章。作者团队主要来自意大利那不勒斯费德里科二世大学分子医学与生物技术医学系、意大利国家研究委员会内分泌学与实验肿瘤学研究所(IEOS-CNR)以及罗马圣卢西亚基金会神经免疫学部门。文章的标题为《调节性T细胞作为代谢感受器》,其核心主旨是提出并论证叉头框蛋白P3(forkhead-box-p3, Foxp3)阳性的CD4+CD25+调节性T(regulatory T, Treg)细胞是机体内的关键代谢感受器。

本文并非一项单一的原创性研究报告,而是一篇观点性文章,旨在整合现有实验证据并提出一个系统性的科学假说。文章的核心论点是:Treg细胞凭借其独特的生物学特性,能够感知机体的营养状态变化,并相应地调整其细胞内代谢及抗炎功能,从而在旁分泌和全身性两个层面调控免疫状态,成为连接神经内分泌系统和免疫系统的关键节点。

文章从三个递进的层面详细阐述了支撑其核心论点的证据和逻辑。

第一个主要观点是,Treg细胞具有独特且能根据功能需求灵活调控的细胞内代谢机制。文章指出,与需要抗原刺激才启动合成代谢(anabolic metabolism)的传统CD4+ T (conventional T, Tconv) 细胞不同,人类天然的Treg细胞在体内就维持着一种高合成代谢状态,其特征是雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin, mTOR)通路和糖酵解(glycolysis)的显著激活、高水平的细胞内三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)以及强大的增殖潜能。然而,这种高代谢状态并非恒定不变。研究显示,体外实验中,通过雷帕霉素(rapamycin)短暂抑制mTOR活性,可以使Treg细胞摆脱因过度合成代谢而导致的“无反应”状态,恢复其糖酵解和增殖能力,这一特性在Tconv细胞中并不存在,揭示了Treg细胞对促生长信号“下调”的独特依赖性。这种看似矛盾的现象可能体现了Treg细胞在不同生命活动阶段的代谢灵活性:mTOR依赖的糖酵解-脂质合成对Treg细胞的发育、增殖和迁移至关重要,而一旦它们执行免疫抑制功能时,其代谢程序则转向依赖脂质氧化(fatty acid oxidation, FAO)和氧化代谢(oxidative metabolism)。支持这一观点的证据是,Treg细胞的抑制功能与其更高的线粒体质量、活性氧(reactive oxygen species, ROS)产量以及电子传递链功能的严格依赖性相关。在分子机制上,这一功能转变由“抗生长”信号所驱动,核心是单磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)的激活。AMPK在感知能量不足时,会拮抗mTOR,促进分解代谢,并通过抑制Foxp3的泛素化降解来稳定Treg细胞的功能。多项研究表明,通过药物激活AMPK或抑制糖酵解和mTOR,均可有效促进Treg细胞的分化和功能。

第二个主要观点是,Treg细胞对全身性的代谢信号展现出独特的敏感性。文章指出,机体的摄食-禁食周期会引起胰岛素、瘦素(leptin)等促合成代谢激素和糖皮质激素、生长激素释放肽(ghrelin)等促分解代谢激素的波动,而Treg细胞对这些信号的响应模式与Tconv细胞截然相反,呈现出一种偏向于感知能量短缺状态的特质。例如,在血糖升高时分泌的胰岛素会促进Tconv细胞增殖,但损害Treg细胞的免疫抑制能力。由脂肪组织分泌、与体脂量成正比的瘦素,能驱动Tconv细胞的代谢活化和促炎功能,却会抑制Treg细胞增殖和活性;在自身免疫病中,瘦素水平与Treg细胞数量呈负相关。相反,在热量限制情况下,主要由胃和小肠分泌的生长激素释放肽会抑制Tconv细胞增殖,却能诱导Treg细胞发挥抗炎作用。同样,禁食或应激状态下释放的糖皮质激素能抑制Tconv细胞反应,同时促进Treg细胞的成熟和Foxp3表达。这些效应可以被药物所模拟。例如,经典的降糖药二甲双胍(metformin)通过激活AMPK抑制mTOR,模拟“伪饥饿”信号,被证明可以降低瘦素和Tconv细胞反应,同时增加Treg细胞,在多发性硬化症合并代谢综合征的患者中改善了病情。热量限制(caloric restriction, CR)以及如姜黄素、白藜芦醇等热量限制模拟物(CR mimetics),也都能通过诱导自噬(autophagy)来增强Treg细胞功能。这一系列证据共同表明,与低能量平衡相关的全身性指标(低胰岛素、低瘦素、高ghrelin和高糖皮质激素)共同构成一个综合性的生理性免疫抑制反馈回路,通过促进Treg细胞活性,在能量匮乏时保护宿主生存。

第三个主要观点是,Treg细胞能够快速感知关键代谢组织中的能量状态。文章强调,Treg细胞不仅存在于循环血液中,更居住在诸如胃肠道和脂肪组织(adipose tissue, AT)等对代谢调控至关重要的部位,并根据局部微环境形成了独特的组织适应性表型。在胃肠道的固有层,驻留的Treg细胞主要通过抑制Myc-糖酵解、加强氧化磷酸化来适应肠道的低葡萄糖、高乳酸环境,并通过转录因子Gata-3维持Foxp3高表达,从而稳定其抑制功能。肠道微生物发酵产生的短链脂肪酸,如丁酸盐,能够通过抑制组蛋白去乙酰化酶来增强Foxp3的乙酰化和稳定性,从而促进Treg细胞的产生。这些细胞对于维持肠道黏膜耐受、上皮屏障完整性和微生物共生关系至关重要。在肥胖状态下,这些功能会因微环境改变而显著降低。在脂肪组织中,2009年首次报道了存在大量对代谢参数有显著影响的Treg细胞群。这些Treg细胞为适应富含脂质的环境,进化出了对长链脂肪酸的高效摄取和脂滴内储存能力。一方面,Foxp3驱动脂肪酸氧化以支持细胞代谢并保护其免受脂毒性;另一方面,二酰甘油酰基转移酶(diacylglycerol acyl transferases, DGATs)的表达通过将游离脂肪酸转化为甘油三酯来限制其毒性,并协同维持Foxp3的表达。脂肪组织驻留Treg细胞特征性地表达过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor-gamma, PPAR-γ),该受体与Foxp3协同作用,决定了Treg细胞独特的转录特征,并调控其在组织中的积累、表型和抗炎功能。同时,它们还表达羟基前列腺素脱氢酶(hydroxyprostaglandin dehydrogenase, HPGD),能代谢局部高浓度的前列腺素E2(prostaglandin E2, PGE2),这既是其在高浓度PGE2环境中的生存机制,也是一种旁分泌的免疫抑制机制。在肥胖和胰岛素抵抗模型中,脂肪组织驻留Treg细胞数量急剧下降,而其选择性恢复可以改善局部炎症和胰岛素敏感性。此外,文章还提及了骨骼肌中的Treg细胞在损伤后迅速积累,通过引导巨噬细胞向抗炎方向转化来促进组织修复,这也有助于维持胰岛素敏感性。这些发现表明,组织驻留Treg细胞通过感知营养素、微生物代谢产物、激素和脂肪因子等局部代谢线索,来调控自身的扩张和免疫调节功能,以维持组织稳态。

总结而言,本文的科学价值在于提出了一个整合性的概念框架,将Treg细胞定位为机体免疫代谢调节回路中的核心“感受器”和“控制器”。文章系统地梳理了Treg细胞从细胞内分子代谢、细胞外内分泌信号感知到组织特异性功能适应的多层次证据链,论证了它们如何将营养感知与免疫耐受的调控紧密联系在一起。其应用价值在于为治疗策略提供了新的思路:通过增强Treg细胞的数目或功能,例如使用二甲双胍、PPAR-γ激动剂或热量限制等饮食及药物干预,有望在自身免疫病和代谢性疾病中重建机体稳态。这篇文章的重要观点在于,其强调了Treg细胞的合成代谢状态与抑制功能对能量需求的“二分性”,并由生理性的摄食-禁食节律所协调,而现代饮食导致的能量过剩和生理节律紊乱可能是导致Treg细胞功能失调和疾病发生的关键。

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