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NCB | 黄波组报道记忆T细胞中的生酮反应产物可作为表观调控因子发挥作用
2019-12-24
撰文 | 十一月
责编 | 兮

 

CD8+初始T细胞在接受抗原刺激之后可以分化为CD8+效应T细胞。抗原被清除后,一部分效应T细胞会持续存在,发展成为寿命很长的CD8+记忆T细胞。而在此过程中,CD8+记忆T细胞需要通过使用脂肪酸的氧化磷酸化作用进行能量供应【1】。虽然一直以来,人们认为糖原在能量代谢方面是具有非常重要功能的,但先前的研究发现,胞质中的磷酸烯醇丙酮酸盐羧基酶Pck1可以通过调节氧化还原反应的稳态来控制CD8+记忆T细胞的形成和维持【2】。但是Pck1在CD8+记忆T细胞中是如何被调控的还很不清楚。

 

为了对CD8+记忆T细胞形成和维持的机制进行解析,2019年12月23日,华中科技大学黄波研究组在Nature Cell Biology发表题为Ketogenesis-generated β-hydroxybutyrate is an epigenetic regulator of CD8+ T-cell memory development的文章,发现线粒体中的乙酰辅酶A通过生酮反应途径间接地调控Pck1的表达,并且在此过程中发现生酮反应代谢物对组蛋白的表观遗传修饰对CD8+记忆T细胞的形成也非常关键。
黄波研究组先前的研究中曾经发现CD8+记忆T细胞具有非常活跃的糖原异生-糖原分解的活动存在【2】。相对于脂肪酸氧化供能的反应来说,糖原异生-糖原分解为CD8+记忆T细胞通过产生NADPH和还原型谷胱甘肽为细胞提供抗氧化的防御功能【2】。为了保持高水平的糖异生活性,糖异生反应中重要的限速酶Pck1在CD8+记忆T细胞中明显的上调;Pck1催化OAA产生6-磷酸葡萄糖【2】。正常情况下,乙酰辅酶A合成柠檬酸盐;但是当三羧酸循环活性较低(比如OAA水平较低时)会导致乙酰辅酶A进入生酮反应途径中,并产生生酮反应代谢物乙酰乙酸盐(Acetoacetate, AcAc)β-羟基丁酸(β-hydroxybutyrate,BHB以及丙酮(Acetone)【3,4】。脂肪酸氧化磷酸化可以为生酮反应提供乙酰辅酶A,但是这样的话脂肪酸氧化磷酸化在CD8+记忆T细胞中的功能就出现了一些矛盾。因此作者们假设Pck1引发的糖异生过量消耗的OAA而造成OAA水平降低,从而破坏了乙酰辅酶A的循环,造成了CD8+记忆T细胞中生酮反应的激活。

 

那么CD8+记忆T细胞是否存在生酮反应的激活呢?作者们通过质谱-液相色谱联用的方式对CD8+记忆T细胞、CD8+初始T细胞以及CD8+效应T细胞中的AcAc、BHB以及丙酮进行分析后发现,CD8+记忆T细胞中的AcAc以及BHB的水平明显升高,而丙酮含量并没有明显的不同。这给了作者们一个线索,CD8+记忆T细胞与生酮反应之间可能确实存在一定的关联。

 

随后,作者们希望探究生酮反应的代谢产物是否以及如何影响CD8+记忆T细胞的。通过对诱导的T细胞进行BHB以及AcAc处理后发现,BHB特异地参与到了CD8+记忆T细胞的记忆形成过程之中。除了BHB处理之外,作者们还对小鼠进行了无碳水化合物的生酮饮食以及15%的碳水无酮的高脂肪饮食处理后发现生酮饮食的小鼠表现出高水平的BHB以及CD8+记忆T细胞数量增加。这些结果都说明生酮反应的代谢产物BHB的确在CD8+记忆T细胞形成过程中具有非常重要的作用。

 

BHB通常会重新反应变成乙酰辅酶A随后进入三羧酸循环,作者们通过13C-BHB的实验发现13C会进入三羧酸循环的中间产物之中,也就是说BHB可以作为CD8+记忆T细胞中代谢的能量源的。但是通过对CD8+记忆T细胞、CD8+初始T细胞以及CD8+效应T细胞的耗氧率进行测试之后发现三者之间的耗氧率并没有什么明显的不同。那么CD8+记忆T细胞中BHB的主要功能可能不是作为能量分子而是另有他用。

 

作者们通过实验发现,BHB在CD8+记忆T细胞形成过程中帮助Pck1表达量升高。那么,BHB调节Pck1表达量升高的具体分子机制是什么呢?先前的研究发现,BHB不仅仅可以作为生酮反应代谢产物用以提供能量,还可以作为表观遗传修饰因子,比如H3K9ac的修饰【5-7】。但是作者们通过加入乙酰化的抑制剂以及ChIP-qPCR等实验发现BHB既不影响CD8+记忆T细胞中组蛋白H3的乙酰化也不影响组蛋白H3的甲基化。除了乙酰化和甲基化之外,还有研究发现BHB影响H3K9上的β-羟基丁酰化修饰(H3K9bhb)【8】,作者们通过生化实验发现CD8+记忆T细胞中H3K9bhb水平的确升高了。通过质谱分析,作者们发现组蛋白H3上具有十个β-羟基丁酰化修饰的位点。

 

由BHB进行的H3K9bhb修饰可能是直接调控CD8+记忆T细胞中Pck1的表达而发挥作用的。但是通过ChIP-qPCR实验发现,无论是否存在BHB,Pck1基因位点上并不存在β-羟基丁酰化修饰。那么,β-羟基丁酰化修饰对于Pck1的表达的调控可能是间接的。先前的研究发现,转录因子FoxO1在记忆T细胞的发育过程中具有非常重要的作用,而且能够结合在Pck1的启动子区域调控Pck1的表达【9,10】。与此相一致的是,作者们发现,BHB的确是通过表观修饰Foxo1临近的H3K9的修饰而上调Pck1的表达的,而且Foxo1的转录共激活因子PGC-1α也参与其中。
图2 CD8+记忆T细胞通过生酮反应途径上调Pck1的表达

 

总的来说,黄波研究组的工作发现CD8+记忆T细胞通过生酮反应途径将线粒体中的乙酰辅酶A转化为BHB。而且BHB会对Foxo1以及Foxo1的转录共激活因子Ppargc1a进行表观遗传修饰,上调FoxO1以及PGC-1α的表达以及他们的靶标基因Pck1的表达。这些发现为CD8+记忆T细胞如何平衡能量供应以及氧化还原稳态提供了新的见解,也为调节T细胞的记忆等方面提供了潜在的临床应用途径。

 

原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41556-019-0440-0
 
制版人:雪月

 

 

参考文献

 

 

1. Pearce, E. L. et al. Enhancing CD8 T-cell memory by modulating fatty acid metabolism. Nature 460, 103-107, doi:10.1038/nature08097 (2009).
2. Ma, R. et al. A Pck1-directed glycogen metabolic program regulates formation and maintenance of memory CD8(+) T cells. Nature cell biology 20, 21-27, doi:10.1038/s41556-017-0002-2 (2018).
3. Wannemacher, R. W., Jr. et al. Role of the liver in regulation of ketone body production during sepsis.The Journal of clinical investigation 64, 1565-1572, doi:10.1172/JCI109617 (1979).
4. Grey, N. J., Karl, I. & Kipnis, D. M. Physiologic mechanisms in the development of starvation ketosis in man. Diabetes 24, 10-16, doi:10.2337/diab.24.1.10 (1975).
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7. Huang, C. K. et al. Adipocytes promote malignant growth of breast tumours with monocarboxylate transporter 2 expression via beta-hydroxybutyrate. Nature communications 8, 14706, doi:10.1038/ncomms14706 (2017).
8. Xie, Z. et al. Metabolic Regulation of Gene Expression by Histone Lysine beta-Hydroxybutyrylation.Molecular cell 62, 194-206, doi:10.1016/j.molcel.2016.03.036 (2016).
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10. Tejera, M. M., Kim, E. H., Sullivan, J. A., Plisch, E. H. & Suresh, M. FoxO1 controls effector-to-memory transition and maintenance of functional CD8 T cell memory. Journal of immunology 191, 187-199, doi:10.4049/jimmunol.1300331 (2013).
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