PD-1通过抑制糖酵解并促进脂肪分解和脂肪酸氧化改变T细胞代谢重编程的学术报告

第一作者及研究机构
本研究由哈佛医学院血液肿瘤科的Nikolaos Patsoukis、Kankana Bardhan、Pranam Chatterjee等共同主导，合作机构包括Beth Israel Deaconess医学中心、Metabolon公司及Dana-Farber癌症研究所。研究成果于2015年3月26日发表于《Nature Communications》（DOI: 10.1038/ncomms7692）。

学术背景
T细胞活化时需经历代谢重编程（metabolic reprogramming），以支持其功能分化。PD-1（程序性死亡受体1）是免疫检查点分子，在慢性感染和肿瘤中抑制T细胞功能，但其对代谢途径的调控机制尚不明确。此前研究显示，效应T细胞依赖糖酵解（glycolysis），而记忆T细胞偏好脂肪酸氧化（fatty acid oxidation, FAO）。本研究旨在揭示PD-1信号如何通过代谢重编程阻断效应T细胞分化，并解释其在慢性感染和肿瘤中维持T细胞长期存活的机制。

研究流程与实验方法
1. 实验模型构建
- 研究对象：从健康供体分离的CD4⁺ T细胞，通过磁珠偶联抗CD3/CD28抗体模拟抗原提呈细胞（APC）激活，并加入PD-L1-Ig融合蛋白（TCC+PD1组）或对照IgG（TCC组）。
- 样本量：每组实验重复3-5次，代谢分析包含5个独立实验的重复样本。

1. 代谢表型分析

   • 糖代谢抑制：通过流式细胞术检测葡萄糖转运蛋白GLUT1表达，放射性标记2-脱氧葡萄糖（2-DG）评估葡萄糖摄取；代谢组学分析细胞内糖酵解中间产物（如丙酮酸、乳酸）及培养上清中代谢物水平。
     
   • 氨基酸代谢阻断：实时定量PCR检测谷氨酰胺转运蛋白SNAT1/SNAT2表达，LC-MS/MS分析支链氨基酸（BCAAs）及其代谢产物（如α-酮酸）。
     

2. 脂肪酸氧化（FAO）激活

   • 关键酶调控：Western blot和qPCR检测肉碱棕榈酰转移酶1A（CPT1A）和脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL）表达；放射性标记棕榈酸测定FAO速率。
     
   • 脂解作用：检测培养上清中甘油和游离脂肪酸水平，结合代谢组学分析内源性脂质利用。
     

3. 线粒体功能评估

   • 呼吸能力：Seahorse细胞能量代谢分析仪测量基础耗氧率（OCR）和细胞外酸化率（ECAR），计算线粒体备用呼吸能力（spare respiratory capacity, SRC）。
     

4. 信号通路机制

   • PI3K/AKT与MEK/ERK抑制：使用LY294002（PI3K抑制剂）和UO126（MEK抑制剂）处理T细胞，验证PD-1对代谢重编程的调控依赖这两条通路。
     

主要结果
1. PD-1抑制糖酵解和氨基酸代谢
- TCC+PD1组GLUT1和HK2（己糖激酶2）表达显著降低，葡萄糖摄取减少50%（P<0.05），乳酸生成被抑制（图1d）。
- 谷氨酰胺转运蛋白SNAT1/2表达下降，细胞内谷氨酰胺和谷氨酸积累，支链氨基酸代谢受阻（图2b）。

1. PD-1促进FAO和脂解

   • CPT1A mRNA和蛋白水平持续升高（图3a-b），FAO速率较对照组增加2倍（图3c）。
     
   • ATGL表达上调，培养上清中甘油和游离脂肪酸水平升高，内源性脂质氧化增强（图4a-d）。
     

2. 线粒体功能重塑

   • TCC+PD1组OCR/ECAR比值升高，SRC增加40%（图5e），表明细胞转向氧化磷酸化供能并具备应激存活潜力。
     

3. 信号通路协同作用

   • 同时抑制PI3K和MEK可完全模拟PD-1效应，诱导CPT1A和ATGL表达（图6a-f），证实PD-1通过双重通路调控代谢转换。
     

结论与意义
PD-1通过抑制PI3K/AKT和MEK/ERK通路，将T细胞代谢从糖酵解重编程为FAO，这一机制解释了PD-1⁺ T细胞在慢性炎症中的长期存活能力。科学价值在于揭示了免疫检查点与代谢的直接关联，为肿瘤免疫治疗提供了新靶点（如CPT1A或ATGL）。应用上，靶向FAO可能增强PD-1阻断疗法的效果。

研究亮点
1. 创新发现：首次证实PD-1通过脂解和FAO维持T细胞存活，而非单纯抑制活化。
2. 方法学贡献：整合代谢组学与Seahorse能量分析，多维度解析T细胞代谢动态。
3. 临床启示：提出“代谢检查点”概念，为联合靶向PD-1和FAO的疗法奠定基础。

其他价值
研究对比了CTLA-4的代谢效应（仅抑制糖酵解），凸显PD-1调控代谢的独特性（图7）。此外，预激活T细胞中PD-1仍能逆转糖酵解（图8），提示其代谢重编程具有可塑性。