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代谢组学和蛋白质组学联合研究揭示细胞内的L-精氨酸是中枢记忆细胞代谢能力、存活能力和抗肿瘤活性的关键调节因子。 在收到抗原刺激后，抗原特异性T细胞开始增殖并分化出不同类型的效应T细胞。为了保证细胞生长和增殖，活化的T细胞需要适应自身的代谢以确保产生足够的生物量和能量。与静息的T细胞不同，它们只需少量营养物质且多数通过氧化磷酸化 ( OXPHOS ) 来供量，而活化的T细胞需要消耗大量的葡萄糖、氨基酸和脂肪酸，并调整其代谢途径以增加糖酵解和谷氨酸分解活性。在免疫反应结束时，大多数T细胞经历细胞凋亡，而少数T细胞作为记忆T细胞存活负责长期保护。而T细胞存活也会受多种内外在因素的调节。 日前发表在Cell上的文章基于此背景，利用代谢组和蛋白组，发现了决定T细胞命运过程中的一个重要的代谢物L-Arginine ( 精氨酸 ) 。文章的通讯作者是来自瑞士生物医学研究所的Antonio Lanzavecchia教授，一位免疫学与细胞生物学领域的大牛。 通过质谱 ( MS ) 的方法，获得了活化后的人类初始幼稚T细胞的动态蛋白质组和代谢组学特征。他们共检测到了9,718 种蛋白质和429种代谢物。 随后对结果进行数据分析，发现活化后T细胞不管是代谢物还是蛋白与非活化状态都有显著的差异。从这个火山图中我们还可以看到一个有趣的现象，就是精氨酸是变化最显著的一个代谢物，在活化后的T细胞中，精氨酸水平最低。 接着提出一个好的科学问题：精氨酸在T细胞活化的过程中发挥什么作用？ 从T细胞活化后的第一天后，细胞内的精氨酸量显著降低 ( A.C ) ，摄入的精氨酸显著增加 ( B ) ，这就意味着精氨酸的消耗增加。 与蛋白组学关联分析发现，参与精氨酸代谢的酶包括：精氨酸转运蛋白阳离子氨基酸转运蛋白1 ( CAT-1 ) 和精氨酸酶2 ( ARG2 ) ，鸟氨酸氨基转移酶 ( OAT ) 和亚精胺合成酶 ( SRM ) 都显著上调 ( D ) ，这些酶可以将L-精氨酸迅速转化为下游代谢物，而这些酶的水平显著提高。 总的来说， L-精氨酸被活化的T细胞强烈吸收，其量超过蛋白质合成的要求，并且可以通过代谢酶快速转化为下游代谢物。 因为活化的T细胞显示其细胞内精氨酸浓度下降，而所有其他氨基酸保持稳定或增加。人为添加更多的精氨酸，可进一步评估精氨酸的可用性对T细胞活化的影响。 结果发现，精氨酸的增加导致其他几种代谢物的增加，这包括尿素循环的中间体，核苷酸，糖衍生物和氨基酸。蛋白组的分析显示，随着T细胞内L-精氨酸水平的升高，T细胞代谢被重编程。特别是，促进糖异生的PC，PCK2和FBP1增加，而葡萄糖转运蛋白和糖酵解酶减少 ( B ) 。 这就意味着，精氨酸的增加T细胞消耗较少的葡萄糖。总的来说，细胞内L-精氨酸水平的增加可使活化的T细胞中的代谢从糖酵解转向线粒体OXPHOS。 在最初的生长期持续24-40小时后，幼稚T细胞开始分裂。 随后，它们迅速分裂并分化为产生炎性细胞因子 ( 例如IFN-γ ) 的效应T细胞，并分化为通过稳态机制存活的记忆T细胞。 作者进一步验证了细胞内高L-精氨酸浓度是否会影响活化T细胞的命运。果然，精氨酸的增加可以限制T细胞的分化，使T细胞可以保持在Tcm( 记忆性T细胞 ) 状态。另外，L-精氨酸的补充，在体外与小鼠体内都可以显著增加活化的CD4 +和CD8 + T细胞的存活率。 代谢物- 蛋白质之间的相互作用可能比我们想象中的更为密切。在一些情况下，这种相互作用还具有一定的功能。例如，胆固醇可以与大约250种的蛋白质相结合，而琥珀酸盐 ( TCA循环的中间体 ) 可以稳定巨噬细胞中的转录因子HIF-1α，导致IL-1β的分泌增加。
那L-精氨酸与除了在T细胞中可以增强记忆T细胞形成增强抗肿瘤反应以外，是否对蛋白质功能会有直接影响？
作者鉴定了几种在L-精氨酸存在下改变其结构的蛋白质，这些蛋白质是L-精氨酸的效应蛋白。研究证明T细胞中需要三种核蛋白 ( BAZ1B，PSIP1和TSN )来介导L-精氨酸对存活的影响。这三个都是转录调节因子，用cas9的敲除后可以显著降低L-精氨酸对T细胞存活的有益影响。BAZ1B是一种转录调节因子，含有一个与甲基化组蛋白结合的PHD结构域。 PSIP1是一个保护细胞避免凋亡的转录共激活因子。有趣的是，L-精氨酸诱导的结构变化影响BAZ1B的PHD结构域和PSIP1的AT-hook DNA结合结构域，这可能影响DNA结合，从而促进了T细胞的存活。 因为L-精氨酸增加了人和小鼠T细胞的存活能力，并且有利于形成Tcm样细胞，在小鼠模型中，这些细胞甚至比效应记忆T细胞 ( Tem ) 在根除肿瘤的作用中更有效。基于此，作者进一步验证了细胞内L-精氨酸水平升高是否会对体内抗肿瘤T细胞反应产生积极影响。我们从下图就可以看出，L-精氨酸水平的升高，可以增加CD8 + T细胞的存活能力，提高它们在小鼠体内的抗肿瘤活性。 L-精氨酸水平升高后，T细胞抗肿瘤活性的增加可能是由于多种表型变化的组合，包括：改善的存活能力、代谢适应性和维持Tcm样表型。 除了影响T细胞以外，L-精氨酸还可以影响体内的其他细胞类型，例如，已经显示向健康志愿者口服施用L-精氨酸可以增强自然杀伤细胞的数量和活性。所以，未来研究可以关注L-精氨酸在体内起作用的确切机制，如L-精氨酸如何识别感受蛋白？感受蛋白的结构和功能改变如何提高存活率？ 既然，在没有遗传操作的情况下，仅靠代谢物水平的改变就可以产生影响，这就为日后治疗应用提供了可能性。 L-精氨酸对T细胞存活和抗肿瘤功能的有益作用就可以在治疗上应用，如用于改善获得性T细胞疗法。而这篇文章，为我们提供了T细胞活化过程中蛋白质组和代谢组动态的数据集，也为解决代谢和细胞功能之间复杂相互作用提供了研究思路。 参考文献 L-Arginine Modulates T Cell Metabolism and Enhances Survival and Anti-tumor Activity. doi.org/10.1016/j.cell.2016.09.031 |
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