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T细胞抗肿瘤战斗力燃炸的秘密竟在乳酸化修饰！

时间：2024-11-04 阅读：146

乳酸化是今年国自然的大热门，风头无限，频频有新机制在顶刊发表，今天给大家分享乳酰化最新研究思路。

组蛋白乳酸化（Histone Lactylation）通过乳酸的添加修饰组蛋白，从而调节基因表达及细胞功能。组蛋白乳酸化修饰于2019年被shou次发现，并迅速在《Nature》上发表，揭示了细胞代谢与表观遗传调控之间的重要联系。

组蛋白是核小体的核心组成部分，每个核小体由H2A、H2B、H3和H4组成的八聚体以及缠绕的DNA构成。组蛋白的N端尾部可经历多种翻译后修饰，如泛素化、SUMO化、乙酰化、丁酰化、甲基化和磷酸化。这些修饰在RNA转录、DNA复制及修复等过程中发挥不同功能，使其在表观遗传调控中起着重要作用。

组蛋白的翻译后修饰通过调节DNA相关过程，维持细胞内平衡。这些修饰通过改变核小体间接触或招募非组蛋白来发挥作用。赖氨酸在特定条件下可以被乳酰化，这一现象称为组蛋白乳酰化。该修饰在转录调控和疾病（特别是肿瘤）中的作用日渐受到关注。

CD8+T细胞，即细胞毒性T淋巴细胞，作为免疫系统中的关键角色，负责消灭病原体感染细胞和癌细胞。抗原识别后，初始 CD8 + T 细胞退出静止状态，并经历克隆扩增和效应分化。在静息状态下，T细胞主要依赖线粒体代谢中的三羧酸循环和氧化磷酸化来满足能量需求。但一旦活化，T细胞会迅速切换到糖酵解模式，乳酸生成随之增加。然而，乳酸及其对CD8+T细胞表观遗传特征与功能的影响仍不明晰。

2024年10月7日，美国德克萨斯大学安德森癌症中心在《Nature Immunology》上发表了一项重要研究，标题为“Histone Lactylation Drives CD8+T Cell Metabolism and Function”。研究发现，CD8+T细胞关键基因的转录起始因子显著调控其功能，揭示了这两种修饰在塑造CD8+T细胞特性与功能中的du特作用。研究表明，乳酸依赖性组蛋白乳酰化通过调节表观遗传和转录重塑来调节CD8 + T 细胞的代谢和功能。

CD8+T细胞在激活时由线粒体代谢转向糖酵解，乳酸不仅抑制效应细胞功能，还可能增强干细胞样CD8+ T细胞的抗肿瘤免疫功能。团队主要探讨了组蛋白乳酰化在CD8+ T细胞中的作用，发现H3K18和H3K9乳酰化在激活的CD8+ T细胞中富集，与基因转录和效应功能相关。抑制乳酰化会削弱CD8+ T细胞效应功能，而促进乳酰化则增强抗肿瘤免疫，表明组蛋白乳酰化在CD8+ T细胞抗肿瘤免疫中起关键调控作用。

乳酸衍生的组蛋白乳酰化H3K18la和H3K9la在CD8+ T细胞的转录、代谢和抗肿瘤免疫中起重要作用，反映出表观遗传与代谢途径在T细胞功能中的动态互作。这为提升抗肿瘤免疫疗法的效果提供了新的潜在策略。

T细胞活化驱动组蛋白乳酰化

研究人员首先探讨了H3K18la和H3K9la在CD8+T细胞中的相关性。通过流式细胞术分析，发现活化的CD8+T细胞相比于初始细胞，其H3K18la和H3K9la乳酰化水平显著升高，并且这种增加具有抗原特异性，与T细胞的活化状态成正相关。特异性抗原刺激显著增强这些组蛋白修饰。此外，这一发现也在小鼠模型中得到了验证。

图1 细胞活化驱动组蛋白乳酰化

进一步使用抗原特异性T细胞反应模型，研究表明刺激抗原特异性CD8+T细胞能够显著增强H3K18la和H3K9la的水平。相较之下，在T细胞活化缺陷的小鼠模型（Bhlhe40敲除小鼠）中，这两种修饰的水平显著降低。在表达特定抗原的肿瘤模型中，研究者观察到与对照组相比，CD8+T细胞中的H3K18la和H3K9la水平更高，且肿瘤生长受到抑制。

这些结果证明了T细胞活化与组蛋白乳酰化之间存在直接关联，揭示了组蛋白乳酰化在免疫应答中的重要作用。

H3K18la和H3K9la驱动CD8+T细胞的转录

通过ChIP-seq分析发现，富含H3K18la或H3K9la标记的染色质区域展现出与活性转录相关的染色质状态模式。这些标记在转录起始位点（TSS）区域及CpG岛附近显著富集，且与其他转录激活的组蛋白修饰共存，表明它们在转录起始和基因表达调节中发挥重要作用。在CD8+T细胞从初始状态转变为激活状态的过程中，H3K18la和H3K9la标记在启动子和增强子区域显示出动态变化。

此外，相较于单独使用其他活性PTM标记的区域，携带H3K18la和H3K9la标记的启动子和增强子区域显示出更高的RNA聚合酶II（RNApol II）占有率，表明二者在驱动CD8+T细胞转录方面存在协同效应。结合RNA-seq数据的BETA分析显示，H3K18la和H3K9la标记的启动子区域分别富集于Ets转录因子和锌指转录因子结合的基序，这些转录因子在CD8+T细胞的分化、稳态和功能中扮演着重要角色。H3K18la标记了关键的T细胞活化基因，如Stat1、Cd28和Icos，而H3K9la则富集于与免疫效应相关的基因，如Ifng。

这些结果揭示了H3K18la和H3K9la在CD8+T细胞转录调控中的关键作用，强调了组蛋白乳酸化在免疫应答中的重要性。

图2 组蛋白乳酸化调节CD8+T细胞的转录起始

H3K9la 和 H3K18la在CD8+T细胞中作用不同

研究人员分析了H3K18la和H3K9la在CD8+T细胞不同分化阶段的富集模式及其对基因表达的调控作用。结果表明，在初始CD8+T细胞中，H3K9la主要富集于维持T细胞静息状态的基因，而在活化状态下，H3K18la则显著富集于效应基因，显示出两者在T细胞活化过程中的不同功能。GSEA分析显示，H3K18la与炎症反应和JAK–STAT信号通路相关，而H3K9la则与氧化磷酸化和细胞因子信号相关。在记忆CD8+ T细胞中，H3K9la与脂肪酸代谢相关。H3K9la在记忆CD8+T细胞中继续发挥重要作用，调节与T细胞功能相关的基因，而H3K18la的富集则相对较少。

图3 H3K9la 和 H3K18la在CD8+T细胞中的不同作用

通过GSEA（基因集富集分析），研究还发现H3K18la与T细胞活化过程中涉及的炎症反应和糖酵解代谢途径相关，而H3K9la则与氧化磷酸化、线粒体呼吸以及记忆T细胞中的脂肪酸代谢途径紧密相关。这不仅强调了H3K18la和H3K9la在调节T细胞线粒体动力学和能量代谢中的关键作用，还揭示了它们在不同T细胞状态下对基因表达的差异化调控。

总体而言，H3K18la和H3K9la在决策T细胞功能和代谢方面展现了相辅相成却又各自du特的调控机制。

图4 组蛋白乳酸化与细胞代谢

组蛋白乳酸化与细胞代谢的关联

激活的CD8+T细胞依赖糖酵解，而初始与记忆T细胞更依赖线粒体代谢。抑制乳酸的生成可降低H3K18la和H3K9la的水平。研究还发现，外源性乳酸处理在初始和记忆T细胞中增加了这两种乳酰化标记，而在激活的T细胞中无明显影响。

H3K18la和H3K9la与CD8+ T细胞功能的关系密切。LDHA抑制导致H3K18la和H3K9la降低，减弱效应基因表达及肿瘤杀伤能力。相反，抑制HDAC则增加这两种乳酰化水平，增强抗肿瘤免疫。

图5 机制图解

讨论与展望

本研究明确了H3K18la和H3K9la在CD8+ T细胞调节中的重要性。在体外培养的人CD8+ T细胞和小鼠CD8+ T细胞中，H3K18la和H3K9la富集。作者还证实了在移植物抗宿主病（GvHD）和肿瘤模型中，CD8+ T细胞组蛋白乳酰化的相关性。这两种组蛋白乳酸化标记可以单独作用，也可以与其他组蛋白修饰联合发挥作用，显示组蛋白乳酸化与其他组蛋白修饰在塑造CD8+ T细胞转录谱中的复杂互动。然而，组蛋白乳酸化与其他修饰的时空相互作用的细节仍需进一步研究。

此外，作者发现内源性糖酵解驱动激活CD8+ T细胞中的H3K18la和H3K9la，而线粒体代谢途径（如TCA循环、脂肪酸氧化（FAO）和ACLY）对记忆CD8+ T细胞中的H3K9la也有帮助。值得注意的是，由于糖酵解生成的丙酮酸转化为乳酸，激活的CD8+ T细胞中的电子传递链（ETC）抑制会增加组蛋白乳酰化。相反，记忆CD8+ T细胞依赖氧化磷酸化（OXPHOS）和FAO，ETC和FAO的抑制，这会减少TCA循环中间体（如草酰乙酸和苹果酸）的产生，从而影响丙酮酸与乳酸的生成，进而会弱化H3K9la。这突显了糖酵解与线粒体代谢在形塑组蛋白乳酰化模式中的复杂交互，需要未来研究探讨不同代谢途径中乳酸如何调节特定的组蛋白乳酰化标记。

外源性乳酸不影响活化CD8+ T细胞中的H3K18la和H3K9la水平，但对初始和记忆CD8+ T细胞有影响，这可能与这些亚群的不同代谢特征有关。在T细胞激活期间，内源性乳酸的高产生可能使CD8+ T细胞中的H3K18la和H3K9la水平达到饱和，进而抑制外源性乳酸的进一步影响。此外，MCT通道会将黏附在细胞内的高水平乳酸排出，减少组蛋白乳酰化。反之，在初始CD8+ T细胞中，较低的细胞内乳酸水平使得MCT能够输入外源乳酸，从而增强组蛋白乳酰化。此外，耗竭的CD8+ T细胞组蛋白乳酰化水平降低，而H3K9ac这些耗竭相关基因被标记。本研究为阐明组蛋白乳酰化在CD8+ T细胞基因转录中的重要性奠定了基础。

作者还调节了已知的组蛋白乳酸化“写入因子”和“去除因子”，以证明其在激活CD8+ T细胞中的基因表达和功能调节中的作用。由于这些抑制剂影响乳酰化和乙酰化，作者结合了ChIP-seq和RNA-seq数据以阐明每种组蛋白修饰对RNApol II招募和基因转录的贡献。综合分析显示，组蛋白乳酰化与RNApol II的富集密切相关，对关键T细胞基因的调控潜力更大，相较于组蛋白甲基化或乙酰化。开发特异性抑制剂，精确靶向这些组蛋白修饰的未来研究或能解决仍存在的挑战。

总之，该研究揭示了H3K18la和H3K9la在CD8+T细胞中的重要作用，不同的CD8+T细胞亚群中H3K18la和H3K9la的富集模式各异，且与其特定的代谢特征紧密相关。这些发现深化了对T细胞活化过程中代谢调控的理解，并为未来开发针对T细胞代谢的免疫治疗策略提供了新的思路。通过针对这些组蛋白乳酰化标记的调控，可能有助于优化T细胞的功能，从而提升免疫疗法的效果。

T细胞代谢与免疫治疗的其他思路

1. 代谢靶向治疗：通过调控T细胞的代谢特性，来增强其抗肿瘤功能。例如，靶向糖酵解或脂肪酸代谢的药物可能有助于提高T细胞抗肿瘤的效应。

2. 微环境调节：在肿瘤微环境中，乳酸会抑制T细胞的功能。开发能有效清除肿瘤微环境中乳酸的药物，可以改善T细胞的抗肿瘤反应。

3. 细胞代谢重编程：工程化T细胞以增强其代谢能力，从而提高其在肿瘤微环境中的生存和功能。例如，转基因细胞能够更有效地利用乳酸作为能量来源。

4. 联合免疫疗法：将代谢调节药物与免疫检查点抑制剂结合使用，可能会增强T细胞对肿瘤的免疫应答。通过同时改变代谢状态和解除免疫抑制，可能会实现更强的肿瘤疗效。

总之，理解组蛋白乳酰化在CD8+ T细胞代谢中的作用，不仅为作者揭示了细胞功能调控的新机制，也为免疫治疗提供了新的思路和策略。

参考文献：

【1】Raychaudhuri, D., Singh, P., Chakraborty, B. et al. Histone lactylation drives CD8+ T cell metabolism and function. Nat Immunol (2024). doi:10.1038/s41590-024-01985-9

【2】Sun, R., Chi, H. Metabolic-epigenetic rewiring in CD8+ T cells via lactate-dependent histone lactylation. Nat Immunol (2024). doi:10.1038/s41590-024-01991-x