2023年1月30日，中國醫學科學院系統醫學研究院/蘇州系統醫學研究所（簡稱“系統院”）李貴登、張連軍團隊與四川大學華西第二醫院陳路團隊合作在Nature Metabolism《自然-代謝》在線發表題為“Extracellular acidosis restricts one-carbon metabolism and preserves T cell stemness”（胞外酸度抑制一碳代謝維持T細胞的干性）的研究論文。該研究發現，長期胞外酸處理T細胞可抑制MYC-SLC7A5軸，阻礙T細胞內甲硫氨酸的攝入，進而重編程T細胞內的一碳代謝及表觀遺傳圖譜，促進線粒體代謝適應性，最終維持干性T細胞狀態。
腫瘤微環境因素引起的免疫抑制性反應是導致T細胞免疫治療效果不佳的主要誘因之一，這些不利的微環境因素能夠誘導T細胞代謝壓力并損害線粒體健康，最終導致腫瘤浸潤T細胞（TILs）代謝紊亂及功能耗竭。已有報道顯示腫瘤組織中低糖、低氧以及高膽固醇的微環境抑制了TILs的擴增、分化及效應功能。然而有趣的是，TILs中仍保留了一群具備一定自我更新能力且具有抗腫瘤效果的TCF1（T cell factor 1）+ T細胞亞群，即“干性樣”腫瘤浸潤T細胞（stem-like TILs），這一T細胞亞群是響應免疫檢查點治療（如anti-PD-1治療）的主體細胞群體。然而，目前關于“干性樣”T細胞亞群如何在腫瘤微環境中維持并存在的，尚不十分清晰。2016、2019年，Nicholas P. Restifo團隊分別報道了腫瘤組織中過載的鉀離子在抑制TILs效應功能的同時，通過重塑T細胞內的代謝維持了TILs的干性及自我更新能力。酸性微環境是實體瘤的顯著特征之一，目前已有研究表明升高的胞外酸度能抑制T細胞的效應功能并影響其他免疫細胞如樹突狀細胞（DCs）和腫瘤相關巨噬細胞（TAMs）的活性及分化。然而，腫瘤內酸度是否參與調控“干性樣”TILs的產生及維持目前尚不清楚。
首先，本研究團隊體外模擬酸性環境下（pH6.4-6.6）培養T細胞，發現長期酸處理可以顯著促進小鼠及人“干性樣”T細胞亞群的形成。此外，通過轉錄組學、代謝組學以及同位素（13C6-葡萄糖，13C16-棕櫚酸）示蹤技術發現，長期胞外酸處理能夠抑制mTOR（Mammalian target of rapamycin）信號通路及糖酵解途徑，促進T細胞內的脂肪酸氧化（FAO），增強線粒體適應性，從而維持“干性樣”T細胞的代謝表征。進一步深入分析以及通過13C5-甲硫氨酸代謝流實驗，發現胞外酸度的升高顯著抑制T細胞內的甲硫氨酸攝入及一碳代謝（甲硫氨酸循環）。
機制上，一方面，長期胞外酸處理可抑制MYC的表達，降低T細胞表面甲硫氨酸轉運體（SLC7A5）的表達，進而削弱T細胞對胞外甲硫氨酸的攝入，最終抑制S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的產生。S-腺苷甲硫氨酸作為組蛋白甲基化修飾的甲基供體，其減少會導致T細胞內組蛋白修飾的改變。另一方面，長期的胞外酸處理顯著抑制甲基化酶EZH2的表達，最終減少了其調控的胞內H3K37me3表達水平。通過CUT&Tag測序發現胞外酸處理誘導的H3K27me3的減少促進了T細胞內干性相關基因的轉錄激活，最終維持了T細胞的干性特征。此外，發現回補外源性甲硫氨酸可顯著恢復MYC-SLC7A5軸的表達及胞內甲硫氨酸代謝，并部分抑制了胞外酸度誘導的T細胞干性表型，進一步說明甲硫氨酸代謝確實參與酸誘導的T細胞干性這一過程。最后，研究團隊將經體外長期酸處理所獲得的OT-I以及CD19 CAR T細胞應用于小鼠黑色素瘤（B16-OVA）及人白血病細胞（K562-CD19）小鼠模型，結果顯示，相比較于未經酸處理的T細胞，經體外長期酸處理的T細胞在小鼠體內展現出更強的持久性和抗腫瘤功能。
綜上，該研究發現長期的酸性微環境暴露能夠重編程T細胞內的甲硫氨酸代謝和表觀遺傳圖譜，從而維持了T細胞的干性表型；揭示了酸性微環境在T細胞抗腫瘤免疫反應中扮演的新角色，為進一步理解酸性腫瘤微環境與T細胞功能分化之間的聯系提供了更深入的認識和思考。
就本項研究，Nature Metabolism同期配發了加拿大溫哥華卑詩省兒童醫院研究所Ramon I. Klein Geltink的評述：“本研究發現了酸性環境維持T細胞干性的新機制，證實了長期酸處理促進T細胞內線粒體的代謝適應性，并通過抑制MYC-SLC7A5軸阻礙T細胞內甲硫氨酸攝入和一碳代謝，重塑T細胞內的表觀遺傳譜，誘導T細胞‘干性樣’基因表達程序?！?/span>
該研究獲得國家自然科學基金（81972875，81971466）、國家重點研發計劃（2017YFA0106800）、江蘇省杰出青年基金（BK20211505，BK20220049）和中國醫學科學院醫學與健康科技創新工程（2021-I2M-1-047，2021-I2M-1-061，2022-I2M-2-004）等項目支持。系統院李貴登研究員、張連軍研究員與四川大學華西第二醫院陳路教授為共同通訊作者。系統院助理研究員程洪成博士、2020級協和博士研究生邱雅靜、科研助理許悅和四川大學華西第二醫院博士研究生陳莉為共同第一作者。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s42255-022-00730-6
https://doi.org/10.1038/s42255-023-00738-6
