T細(xì)胞抗腫瘤戰(zhàn)斗力燃炸的秘密竟在乳酸化修飾！
更新時(shí)間：2024-11-04 點(diǎn)擊次數(shù)：1750
乳酸化是今年國(guó)自然的大熱門，風(fēng)頭無限，頻頻有新機(jī)制在頂刊發(fā)表，今天給大家分享乳酰化最新研究思路。組蛋白乳酸化（Histone Lactylation）通過乳酸的添加修飾組蛋白，從而調(diào)節(jié)基因表達(dá)及細(xì)胞功能。組蛋白乳酸化修飾于2019年被shou次發(fā)現(xiàn)，并迅速在《Nature》上發(fā)表，揭示了細(xì)胞代謝與表觀遺傳調(diào)控之間的重要聯(lián)系。組蛋白是核小體的核心組成部分，每個(gè)核小體由H2A、H2B、H3和H4組成的八聚體以及纏繞的DNA構(gòu)成。組蛋白的N端尾部可經(jīng)歷多種翻譯后修飾，如泛素化、SUMO化、乙酰化、丁酰化、甲基化和磷酸化。這些修飾在RNA轉(zhuǎn)錄、DNA復(fù)制及修復(fù)等過程中發(fā)揮不同功能，使其在表觀遺傳調(diào)控中起著重要作用。組蛋白的翻譯后修飾通過調(diào)節(jié)DNA相關(guān)過程，維持細(xì)胞內(nèi)平衡。這些修飾通過改變核小體間接觸或招募非組蛋白來發(fā)揮作用。賴氨酸在特定條件下可以被乳酰化，這一現(xiàn)象稱為組蛋白乳酰化。該修飾在轉(zhuǎn)錄調(diào)控和疾病（特別是腫瘤）中的作用日漸受到關(guān)注。CD8+T細(xì)胞，即細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞，作為免疫系統(tǒng)中的關(guān)鍵角色，負(fù)責(zé)消滅病原體感染細(xì)胞和癌細(xì)胞。抗原識(shí)別后，初始 CD8 + T 細(xì)胞退出靜止?fàn)顟B(tài)，并經(jīng)歷克隆擴(kuò)增和效應(yīng)分化。在靜息狀態(tài)下，T細(xì)胞主要依賴線粒體代謝中的三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化來滿足能量需求。但一旦活化，T細(xì)胞會(huì)迅速切換到糖酵解模式，乳酸生成隨之增加。然而，乳酸及其對(duì)CD8+T細(xì)胞表觀遺傳特征與功能的影響仍不明晰。2024年10月7日，美國(guó)德克薩斯大學(xué)安德森癌癥中心在《Nature Immunology》上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究，標(biāo)題為“Histone Lactylation Drives CD8+T Cell Metabolism and Function"。研究發(fā)現(xiàn)，CD8+T細(xì)胞關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄起始因子顯著調(diào)控其功能，揭示了這兩種修飾在塑造CD8+T細(xì)胞特性與功能中的du特作用。研究表明，乳酸依賴性組蛋白乳酰化通過調(diào)節(jié)表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄重塑來調(diào)節(jié)CD8 + T 細(xì)胞的代謝和功能。CD8+T細(xì)胞在激活時(shí)由線粒體代謝轉(zhuǎn)向糖酵解，乳酸不僅抑制效應(yīng)細(xì)胞功能，還可能增強(qiáng)干細(xì)胞樣CD8+ T細(xì)胞的抗腫瘤免疫功能。團(tuán)隊(duì)主要探討了組蛋白乳酰化在CD8+ T細(xì)胞中的作用，發(fā)現(xiàn)H3K18和H3K9乳酰化在激活的CD8+ T細(xì)胞中富集，與基因轉(zhuǎn)錄和效應(yīng)功能相關(guān)。抑制乳酰化會(huì)削弱CD8+ T細(xì)胞效應(yīng)功能，而促進(jìn)乳酰化則增強(qiáng)抗腫瘤免疫，表明組蛋白乳酰化在CD8+ T細(xì)胞抗腫瘤免疫中起關(guān)鍵調(diào)控作用。乳酸衍生的組蛋白乳酰化H3K18la和H3K9la在CD8+ T細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄、代謝和抗腫瘤免疫中起重要作用，反映出表觀遺傳與代謝途徑在T細(xì)胞功能中的動(dòng)態(tài)互作。這為提升抗腫瘤免疫療法的效果提供了新的潛在策略。 T細(xì)胞活化驅(qū)動(dòng)組蛋白乳酰化
研究人員首先探討了H3K18la和H3K9la在CD8+T細(xì)胞中的相關(guān)性。通過流式細(xì)胞術(shù)分析，發(fā)現(xiàn)活化的CD8+T細(xì)胞相比于初始細(xì)胞，其H3K18la和H3K9la乳酰化水平顯著升高，并且這種增加具有抗原特異性，與T細(xì)胞的活化狀態(tài)成正相關(guān)。特異性抗原刺激顯著增強(qiáng)這些組蛋白修飾。此外，這一發(fā)現(xiàn)也在小鼠模型中得到了驗(yàn)證。
圖1 細(xì)胞活化驅(qū)動(dòng)組蛋白乳酰化進(jìn)一步使用抗原特異性T細(xì)胞反應(yīng)模型，研究表明刺激抗原特異性CD8+T細(xì)胞能夠顯著增強(qiáng)H3K18la和H3K9la的水平。相較之下，在T細(xì)胞活化缺陷的小鼠模型（Bhlhe40敲除小鼠）中，這兩種修飾的水平顯著降低。在表達(dá)特定抗原的腫瘤模型中，研究者觀察到與對(duì)照組相比，CD8+T細(xì)胞中的H3K18la和H3K9la水平更高，且腫瘤生長(zhǎng)受到抑制。這些結(jié)果證明了T細(xì)胞活化與組蛋白乳酰化之間存在直接關(guān)聯(lián)，揭示了組蛋白乳酰化在免疫應(yīng)答中的重要作用。H3K18la和H3K9la驅(qū)動(dòng)CD8+T細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄
通過ChIP-seq分析發(fā)現(xiàn)，富含H3K18la或H3K9la標(biāo)記的染色質(zhì)區(qū)域展現(xiàn)出與活性轉(zhuǎn)錄相關(guān)的染色質(zhì)狀態(tài)模式。這些標(biāo)記在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）區(qū)域及CpG島附近顯著富集，且與其他轉(zhuǎn)錄激活的組蛋白修飾共存，表明它們?cè)谵D(zhuǎn)錄起始和基因表達(dá)調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。在CD8+T細(xì)胞從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顮顟B(tài)的過程中，H3K18la和H3K9la標(biāo)記在啟動(dòng)子和增強(qiáng)子區(qū)域顯示出動(dòng)態(tài)變化。此外，相較于單獨(dú)使用其他活性PTM標(biāo)記的區(qū)域，攜帶H3K18la和H3K9la標(biāo)記的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子區(qū)域顯示出更高的RNA聚合酶II（RNApol II）占有率，表明二者在驅(qū)動(dòng)CD8+T細(xì)胞轉(zhuǎn)錄方面存在協(xié)同效應(yīng)。結(jié)合RNA-seq數(shù)據(jù)的BETA分析顯示，H3K18la和H3K9la標(biāo)記的啟動(dòng)子區(qū)域分別富集于Ets轉(zhuǎn)錄因子和鋅指轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的基序，這些轉(zhuǎn)錄因子在CD8+T細(xì)胞的分化、穩(wěn)態(tài)和功能中扮演著重要角色。H3K18la標(biāo)記了關(guān)鍵的T細(xì)胞活化基因，如Stat1、Cd28和Icos，而H3K9la則富集于與免疫效應(yīng)相關(guān)的基因，如Ifng。這些結(jié)果揭示了H3K18la和H3K9la在CD8+T細(xì)胞轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的關(guān)鍵作用，強(qiáng)調(diào)了組蛋白乳酸化在免疫應(yīng)答中的重要性。圖2 組蛋白乳酸化調(diào)節(jié)CD8+T細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄起始H3K9la 和 H3K18la在CD8+T細(xì)胞中作用不同
研究人員分析了H3K18la和H3K9la在CD8+T細(xì)胞不同分化階段的富集模式及其對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控作用。結(jié)果表明，在初始CD8+T細(xì)胞中，H3K9la主要富集于維持T細(xì)胞靜息狀態(tài)的基因，而在活化狀態(tài)下，H3K18la則顯著富集于效應(yīng)基因，顯示出兩者在T細(xì)胞活化過程中的不同功能。GSEA分析顯示，H3K18la與炎癥反應(yīng)和JAK–STAT信號(hào)通路相關(guān)，而H3K9la則與氧化磷酸化和細(xì)胞因子信號(hào)相關(guān)。在記憶CD8+ T細(xì)胞中，H3K9la與脂肪酸代謝相關(guān)。H3K9la在記憶CD8+T細(xì)胞中繼續(xù)發(fā)揮重要作用，調(diào)節(jié)與T細(xì)胞功能相關(guān)的基因，而H3K18la的富集則相對(duì)較少。圖3 H3K9la 和 H3K18la在CD8+T細(xì)胞中的不同作用通過GSEA（基因集富集分析），研究還發(fā)現(xiàn)H3K18la與T細(xì)胞活化過程中涉及的炎癥反應(yīng)和糖酵解代謝途徑相關(guān)，而H3K9la則與氧化磷酸化、線粒體呼吸以及記憶T細(xì)胞中的脂肪酸代謝途徑緊密相關(guān)。這不僅強(qiáng)調(diào)了H3K18la和H3K9la在調(diào)節(jié)T細(xì)胞線粒體動(dòng)力學(xué)和能量代謝中的關(guān)鍵作用，還揭示了它們?cè)诓煌琓細(xì)胞狀態(tài)下對(duì)基因表達(dá)的差異化調(diào)控。總體而言，H3K18la和H3K9la在決策T細(xì)胞功能和代謝方面展現(xiàn)了相輔相成卻又各自du特的調(diào)控機(jī)制。 組蛋白乳酸化與細(xì)胞代謝的關(guān)聯(lián)
激活的CD8+T細(xì)胞依賴糖酵解，而初始與記憶T細(xì)胞更依賴線粒體代謝。抑制乳酸的生成可降低H3K18la和H3K9la的水平。研究還發(fā)現(xiàn)，外源性乳酸處理在初始和記憶T細(xì)胞中增加了這兩種乳酰化標(biāo)記，而在激活的T細(xì)胞中無明顯影響。H3K18la和H3K9la與CD8+ T細(xì)胞功能的關(guān)系密切。LDHA抑制導(dǎo)致H3K18la和H3K9la降低，減弱效應(yīng)基因表達(dá)及腫瘤殺傷能力。相反，抑制HDAC則增加這兩種乳酰化水平，增強(qiáng)抗腫瘤免疫。本研究明確了H3K18la和H3K9la在CD8+ T細(xì)胞調(diào)節(jié)中的重要性。在體外培養(yǎng)的人CD8+ T細(xì)胞和小鼠CD8+ T細(xì)胞中，H3K18la和H3K9la富集。作者還證實(shí)了在移植物抗宿主病（GvHD）和腫瘤模型中，CD8+ T細(xì)胞組蛋白乳酰化的相關(guān)性。這兩種組蛋白乳酸化標(biāo)記可以單獨(dú)作用，也可以與其他組蛋白修飾聯(lián)合發(fā)揮作用，顯示組蛋白乳酸化與其他組蛋白修飾在塑造CD8+ T細(xì)胞轉(zhuǎn)錄譜中的復(fù)雜互動(dòng)。然而，組蛋白乳酸化與其他修飾的時(shí)空相互作用的細(xì)節(jié)仍需進(jìn)一步研究。此外，作者發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性糖酵解驅(qū)動(dòng)激活CD8+ T細(xì)胞中的H3K18la和H3K9la，而線粒體代謝途徑（如TCA循環(huán)、脂肪酸氧化（FAO）和ACLY）對(duì)記憶CD8+ T細(xì)胞中的H3K9la也有幫助。值得注意的是，由于糖酵解生成的丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸，激活的CD8+ T細(xì)胞中的電子傳遞鏈（ETC）抑制會(huì)增加組蛋白乳酰化。相反，記憶CD8+ T細(xì)胞依賴氧化磷酸化（OXPHOS）和FAO，ETC和FAO的抑制，這會(huì)減少TCA循環(huán)中間體（如草酰乙酸和蘋果酸）的產(chǎn)生，從而影響丙酮酸與乳酸的生成，進(jìn)而會(huì)弱化H3K9la。這突顯了糖酵解與線粒體代謝在形塑組蛋白乳酰化模式中的復(fù)雜交互，需要未來研究探討不同代謝途徑中乳酸如何調(diào)節(jié)特定的組蛋白乳酰化標(biāo)記。外源性乳酸不影響活化CD8+ T細(xì)胞中的H3K18la和H3K9la水平，但對(duì)初始和記憶CD8+ T細(xì)胞有影響，這可能與這些亞群的不同代謝特征有關(guān)。在T細(xì)胞激活期間，內(nèi)源性乳酸的高產(chǎn)生可能使CD8+ T細(xì)胞中的H3K18la和H3K9la水平達(dá)到飽和，進(jìn)而抑制外源性乳酸的進(jìn)一步影響。此外，MCT通道會(huì)將黏附在細(xì)胞內(nèi)的高水平乳酸排出，減少組蛋白乳酰化。反之，在初始CD8+ T細(xì)胞中，較低的細(xì)胞內(nèi)乳酸水平使得MCT能夠輸入外源乳酸，從而增強(qiáng)組蛋白乳酰化。此外，耗竭的CD8+ T細(xì)胞組蛋白乳酰化水平降低，而H3K9ac這些耗竭相關(guān)基因被標(biāo)記。本研究為闡明組蛋白乳酰化在CD8+ T細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄中的重要性奠定了基礎(chǔ)。作者還調(diào)節(jié)了已知的組蛋白乳酸化“寫入因子"和“去除因子"，以證明其在激活CD8+ T細(xì)胞中的基因表達(dá)和功能調(diào)節(jié)中的作用。由于這些抑制劑影響乳酰化和乙酰化，作者結(jié)合了ChIP-seq和RNA-seq數(shù)據(jù)以闡明每種組蛋白修飾對(duì)RNApol II招募和基因轉(zhuǎn)錄的貢獻(xiàn)。綜合分析顯示，組蛋白乳酰化與RNApol II的富集密切相關(guān)，對(duì)關(guān)鍵T細(xì)胞基因的調(diào)控潛力更大，相較于組蛋白甲基化或乙酰化。開發(fā)特異性抑制劑，精確靶向這些組蛋白修飾的未來研究或能解決仍存在的挑戰(zhàn)。總之，該研究揭示了H3K18la和H3K9la在CD8+T細(xì)胞中的重要作用，不同的CD8+T細(xì)胞亞群中H3K18la和H3K9la的富集模式各異，且與其特定的代謝特征緊密相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)深化了對(duì)T細(xì)胞活化過程中代謝調(diào)控的理解，并為未來開發(fā)針對(duì)T細(xì)胞代謝的免疫治療策略提供了新的思路。通過針對(duì)這些組蛋白乳酰化標(biāo)記的調(diào)控，可能有助于優(yōu)化T細(xì)胞的功能，從而提升免疫療法的效果。1. 代謝靶向治療：通過調(diào)控T細(xì)胞的代謝特性，來增強(qiáng)其抗腫瘤功能。例如，靶向糖酵解或脂肪酸代謝的藥物可能有助于提高T細(xì)胞抗腫瘤的效應(yīng)。2. 微環(huán)境調(diào)節(jié)：在腫瘤微環(huán)境中，乳酸會(huì)抑制T細(xì)胞的功能。開發(fā)能有效清除腫瘤微環(huán)境中乳酸的藥物，可以改善T細(xì)胞的抗腫瘤反應(yīng)。3. 細(xì)胞代謝重編程：工程化T細(xì)胞以增強(qiáng)其代謝能力，從而提高其在腫瘤微環(huán)境中的生存和功能。例如，轉(zhuǎn)基因細(xì)胞能夠更有效地利用乳酸作為能量來源。4. 聯(lián)合免疫療法：將代謝調(diào)節(jié)藥物與免疫檢查點(diǎn)抑制劑結(jié)合使用，可能會(huì)增強(qiáng)T細(xì)胞對(duì)腫瘤的免疫應(yīng)答。通過同時(shí)改變代謝狀態(tài)和解除免疫抑制，可能會(huì)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的腫瘤療效。總之，理解組蛋白乳酰化在CD8+ T細(xì)胞代謝中的作用，不僅為作者揭示了細(xì)胞功能調(diào)控的新機(jī)制，也為免疫治療提供了新的思路和策略。【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
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