阻断线粒体亮氨酸转氨可增强T细胞活化并提高抗表达OVA的EL4淋巴瘤的T细胞免疫

《British Journal of Cancer》：Blocking mitochondrial leucine transamination enhances T-cell activation and improves T-cell immunity against OVA-producing EL4 lymphoma

　　

摘要 背景：T细胞代谢是肿瘤细胞试图逃避免疫监视的靶点。线粒体支链氨基转移酶（BCATm）在癌症中过表达，但其在T细胞免疫中的作用已被提出但研究不足。 方法：研究人员利用T细胞特异性单敲除BCATm的C57BL/6小鼠，通过小鼠EL4-OVA淋巴瘤模型，在体外和体内测定BCATm对T细胞功能的影响。研究补充了人类T细胞中BCATm的转录组相关性分析，并使用siRNA敲低Jurkat T细胞中的BCATm。 结果：CD4+T细胞中BCATm的缺失增加了线粒体呼吸，但降低了氧耗与ATP合成之间的偶联，将细胞重新导向糖酵解。这种补偿维持了T细胞功能，表现为CD4+T细胞释放的IFN-γ增加，或CD8+T细胞释放的颗粒酶B和穿孔素增加。人类研究进一步表明BCATm对T细胞线粒体有负面影响。虽然来自T-BCATmKO小鼠的EL4-OVA肿瘤富含记忆前体CD4+和CD8+T细胞，但在携带BCATm和BCATc联合缺失的T细胞小鼠中实现了EL4-OVA淋巴瘤生长的减少。 结论：BCATm是一种免疫抑制酶，可能在淋巴瘤微环境中削弱T细胞性能。

研究背景与问题

T细胞在肿瘤微环境（TME）中经历功能缺陷并进入耗竭状态，部分归因于肿瘤施加的代谢屏障，包括免疫抑制代谢物的积累。线粒体支链氨基转移酶（BCATm）专门负责支链氨基酸（BCAAs）亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸的可逆转氨作用。BCATm及其胞质同工酶BCATc在癌症中常过表达，但它们在癌症与免疫细胞相互作用中的作用知之甚少。近期研究表明BCAT同工酶具有免疫调节特性，结合对T细胞线粒体日益增长的研究兴趣，引发了BCATm是否在控制T细胞线粒体功能中具有未被揭示的作用的问题。因此，本研究旨在利用小鼠模型和人类T细胞，探究通过BCATm进行的线粒体亮氨酸转氨如何影响活化T细胞的代谢重编程和功能及其抗击淋巴瘤的能力。

研究概要与意义

本研究发表于《British Journal of Cancer》。研究人员通过构建T细胞条件性敲除小鼠模型，结合细胞代谢测定、转录组学分析和功能性实验，系统阐述了BCATm在T细胞线粒体代谢和抗肿瘤免疫中的新作用。研究发现BCATm缺失可触发T细胞的代谢适应，增强其效应功能，并可能改善抗淋巴瘤免疫反应。这为理解肿瘤微环境中T细胞功能障碍的代谢基础提供了新视角，并提示BCATm可能成为增强T细胞免疫治疗的潜在靶点。

关键技术方法

研究采用了多种关键技术：1) 使用T细胞特异性单敲除（T-BCATm^KO）和双敲除（T-Bc^KOBm^KO）的C57BL/6小鼠模型进行体内肿瘤研究（EL4-OVA淋巴瘤）。2) 从人扁桃体分离的健康供者静息与活化T细胞的RNA-seq数据集（Eckerle等人）及T细胞淋巴瘤/白血病数据集（Crescenzo等人）进行生物信息学分析。3) 利用siRNA在Jurkat T细胞中敲低人BCAT2基因。4) 通过Seahorse XF24分析仪测定T细胞的氧消耗率（OCR）和细胞外酸化率（ECAR）。5) 使用蛋白质印迹、流式细胞术、ELISA、细胞毒性杀伤测定等多种分子与细胞功能分析手段。

研究结果

BCATm支持CD4⁺T细胞中的线粒体亮氨酸转氨

研究表明，BCATm在小鼠T细胞中组成型表达，无论激活状态如何，都能提供BCAAs的线粒体转氨。在CD4⁺T细胞中敲除BCATm显著降低了亮氨酸转氨和氧化，并伴随着亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸细胞内浓度的增加。

共刺激的BCATm缺陷CD4⁺T细胞增加线粒体呼吸但降低氧化磷酸化ATP产生

在共刺激的CD4⁺T细胞中，BCATm的缺失导致线粒体呼吸和备用呼吸容量（SRC）增加，但线粒体ATP产生和偶联效率显著降低。这些细胞转而表现出极高的糖酵解速率和糖酵解能力。添加BCATm抑制剂BCAT-IN-2可模拟这些效应。

共刺激的BCATm缺陷CD4⁺T细胞上调mTORC1信号、激活AMPK并释放更多IFN-γ

BCATm缺失的共刺激CD4⁺T细胞显示mTORC1下游靶标核糖体蛋白S6的磷酸化增加，同时能量传感器AMPK的磷酸化也显著增加。这些细胞分泌的IFN-γ水平显著升高，而耗竭标志物仅TIM-3有轻微升高，表明细胞功能改善而非耗竭。

人BCAT2基因与线粒体核糖体及电子传递链基因呈强负相关

对人类活化T细胞的转录组分析发现，编码BCATm的BCAT2基因与编码胞质和线粒体核糖体、电子传递链（ETC）复合物I、IV、V的基因呈显著负相关。在Jurkat T细胞中敲低BCAT2证实了ETC组分（NDUFS1、细胞色素c、COX IV）的表达增加，以及mTORC1/2和AMPK的激活。

BCATm缺陷的CD8⁺T细胞在扩增期上调mTORC1信号并分泌更多颗粒酶B和穿孔素

在CD8⁺T细胞的激活期，BCATm缺失导致AMPK激活和耗竭标志物（TOX、CD244、LAG3）表达增加。然而，在扩增期，这些细胞的mTORC1活性上调，所有检测的耗竭标志物（TOX、CD244、LAG3、TIGIT、TIM-3）均显著下调，同时颗粒酶B和穿孔素的分泌大幅增加。

T细胞中单一敲除BCATm导致局部而非全身性抵抗EL4-OVA淋巴瘤

与对照相比，T-BCATm^KO小鼠的EL4-OVA肿瘤生长未见整体减少，但肿瘤中记忆前体CD4⁺和CD8⁺T细胞比例增加。体外细胞毒性试验显示，BCATm缺陷的CD8⁺T细胞对EL4-OVA细胞的杀伤能力更强。

BCATm与BCATc联合缺失显著降低EL4-OVA肿瘤负荷

仅在T细胞中双重敲除BCATc和BCATm（T-Bc^KOBm^KO小鼠）可显著抑制EL4-OVA肿瘤的生长（降低68-76%），效果优于单一敲除BCATc或BCATm。临床数据分析显示，BCAT2或BCAT1高表达的周围T细胞淋巴瘤（PTCL）患者总生存期更差。

讨论与结论总结

讨论部分指出，BCATm是T细胞线粒体基础代谢机制的一部分，但其缺失会引发独特的代谢适应。尽管细胞内亮氨酸升高，但BCATm缺陷的共刺激CD4⁺T细胞中mTORC1和AMPK被同时激活，这可能是对线粒体ATP产生减少和能量需求增加的补偿反应。转录组学发现的BCAT2与核糖体/ETC基因的负相关性提示BCATm可能具有超越其催化功能的、调节蛋白质翻译/线粒体的新角色。对于CD8⁺T细胞，BCATm缺失有助于其在扩增期维持合成代谢和功能状态。虽然T细胞单一缺失BCATm不足以引发全身抗肿瘤反应，但体内实验表明，在抗淋巴瘤免疫中，BCATm发挥支持性作用，而BCATc的作用似乎更为主要。因此，靶向BCATm可能适用于局部抗肿瘤免疫或联合治疗。

研究结论（译文）

BCATm是一种免疫抑制酶，可能在淋巴瘤微环境中削弱T细胞性能。