糖,、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)的代謝是一切生命活動的基礎(chǔ),，但同時不可避免地產(chǎn)生危害生命的物質(zhì),。糖、脂代謝在產(chǎn)生能量的同時,，會形成有害的自由基,，而蛋白質(zhì)的分解代謝則釋放慢性細(xì)胞毒分子氨（NH3）。各個組織器官的細(xì)胞均有強(qiáng)大抗氧化（清除自由基）的功能,，這一方向已被廣泛研究，但對于氨的清除,，除了已知的肝細(xì)胞將NH3轉(zhuǎn)化為尿素解毒外,，對其研究非常稀少。2022年12月6日,，國際免疫學(xué)雜志《自然·免疫學(xué)》（Nature Immunology）在線發(fā)表了我?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)院黃波教授課題組最新研究論文“Ammonia detoxification promotes CD8+ T cell memory development by urea and citrulline cycles”，本項(xiàng)研究揭示尿素循環(huán)代謝對于維持記憶性T細(xì)胞的發(fā)育和長期存活具有重要意義,，從全新的代謝途徑解釋了T細(xì)胞記憶形成這一基本的免疫學(xué)問題,。
記憶性T（Tm）細(xì)胞屬于一類典型的長壽命細(xì)胞，其能在機(jī)體內(nèi)存活數(shù)月至數(shù)年乃至終生,，記憶性T細(xì)胞形成與維持是疫苗保護(hù),、腫瘤免疫治療,、機(jī)體抗病毒感染的基礎(chǔ)。如何從根源上解析記憶性T細(xì)胞維持長壽命的原因,，依然是困擾免疫學(xué)家的一大難題,。黃波課題組長期致力于揭示記憶性T細(xì)胞維持長壽命的關(guān)鍵代謝特征，2018年課題組發(fā)現(xiàn)記憶性T細(xì)胞的長期存活與糖異生-糖原代謝這種獨(dú)特的代謝模式有關(guān),，Tm通過高表達(dá)糖異生途徑的關(guān)鍵限速酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶PCK1而促進(jìn)糖原的合成,，又通過磷酸戊糖途徑產(chǎn)生還原型NADPH，維持高水平的還原性谷胱甘肽,，及時清除胞內(nèi)的氧自由基,，從而維持記憶性T 細(xì)胞的長期存活。Tm由效應(yīng)性T細(xì)胞衍生而來,，二者為何PCK1的表達(dá)發(fā)生差異,？該課題組繼續(xù)深入研究，發(fā)現(xiàn)記憶性T細(xì)胞中存在酮體代謝,，與常規(guī)認(rèn)為酮體的能量供應(yīng)不同的是,，Tm中酮體代謝通過β-羥基丁酸促進(jìn)組蛋白的表觀遺傳修飾介導(dǎo)PCK1的高表達(dá)，在記憶性T細(xì)胞的功能維持和長期存活中發(fā)揮重要作用,，相關(guān)研究成果相繼在2018和2020年發(fā)表于國際細(xì)胞生物學(xué)雜志《自然·細(xì)胞生物學(xué)》（Nat Cell Biol. 2018;20:21-27,；Nat Cell Biol. 2020;22:18-25）。
眾所周知,，細(xì)胞需要利用能量分子ATP維持生命活動,。葡萄糖和脂肪酸氧化是生成ATP的主要來源。此外,，氨基酸在脫氨基后也可以被氧化以提供或調(diào)節(jié)能量生成,。然而，在細(xì)胞產(chǎn)生ATP的過程中,，作為副產(chǎn)物的活性氧（ROS）和氨（NH3）也不可避免地產(chǎn)生,，且這兩種物質(zhì)都具有細(xì)胞毒性，損害細(xì)胞壽命,。因此,，長壽細(xì)胞必須利用高效的機(jī)制來清除ROS和氨以延長存活時間。
在前面的研究中,，課題組已經(jīng)揭示了記憶T細(xì)胞如何清除ROS,，但是CD8+ Tm細(xì)胞是否能通過代謝清除有毒的氨仍然是未解之謎。氨基酸的脫氨基是細(xì)胞內(nèi)氨的主要來源,，主要通過兩個步驟：第一步是轉(zhuǎn)氨基作用介導(dǎo)的谷氨酸或谷氨酰胺的生成,，第二步則是谷氨酸或谷氨酰胺的脫氨基作用生成。一般認(rèn)為,，氨在肝臟中通過尿素循環(huán)進(jìn)行處理,，肝細(xì)胞從外周循環(huán)中吸收氨,，并使用氨基甲酰磷酸合成酶-1（CPS1）催化氨和碳酸氫鹽（HCO3-），在線粒體中形成氨基甲酰磷酸（CP）,。然后, CP與鳥氨酸反應(yīng),，通過鳥氨酸氨基甲酰磷酸轉(zhuǎn)移酶（OTC）生成瓜氨酸。瓜氨酸之后進(jìn)入胞漿,，通過精氨酸琥珀酸合成酶1（ASS1）與天冬氨酸結(jié)合生成精氨酸,，然后精氨酸裂解酶（ASL）將其代謝為精氨酸和延胡索酸最終精氨酸酶1（ARG1）將精氨酸水解為鳥氨酸和尿素，最后鳥氨酸進(jìn)入線粒體形成循環(huán),。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為尿素循環(huán)只發(fā)生在肝臟,，但課題組通過構(gòu)建特異性抗原記憶性T細(xì)胞體內(nèi)過繼模型、同位素示蹤技術(shù)和超高分辨液相質(zhì)譜聯(lián)用等方法首次證明了尿素循環(huán)存在于記憶T細(xì)胞中并發(fā)揮重要功能,，并通過一系列動物模型和體外機(jī)制分析驗(yàn)證了尿素循環(huán)對Tm細(xì)胞記憶維持是必須的,；在后續(xù)的研究中作者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的尿素循環(huán)通過精氨酸酶1產(chǎn)生尿素不同的是，CD8+ Tm細(xì)胞利用定位于線粒體的精氨酸酶2催化精氨酸生成尿素,，并進(jìn)一步研究了精氨酸和尿素分別通過SLC25A29和SLC14A1兩種溶質(zhì)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)體進(jìn)出線粒體,；深入的機(jī)制研究還發(fā)現(xiàn)，除了尿素循環(huán)外,，CD8+ Tm細(xì)胞還利用瓜氨酸循環(huán)進(jìn)行解氨作用,，與尿素循環(huán)聯(lián)合發(fā)揮作用；此外,，作者利用多種動物模型驗(yàn)證了尿素循環(huán)關(guān)鍵酶Cps1的基因表達(dá)對Tm細(xì)胞氨處理和記憶維持至關(guān)重要并利用表觀遺傳學(xué)手段發(fā)現(xiàn)Cps1轉(zhuǎn)錄啟動子區(qū)域β-羥基丁?；钦T發(fā)Cps1表達(dá)的關(guān)鍵。最后在體內(nèi)腫瘤治療模型中,，Cps1高表達(dá)的Tm細(xì)胞也顯示出更高效的抗腫瘤功能,，為T細(xì)胞回輸?shù)拿庖咧委熖峁┝巳碌拇x調(diào)控思路，有著明確的臨床轉(zhuǎn)化意義,。本項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)將使我們從全新的代謝角度闡明Tm細(xì)胞長期存活的機(jī)制,，并將提供一種全新的T細(xì)胞抗腫瘤思路和轉(zhuǎn)化手段。
本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（81788101,，82071864,，82150103）和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（2021-I2M-1-021）的支持?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)系唐科副教授為論文第一作者,，病理學(xué)系張華鋒副教授和生化系2020級博士鄧經(jīng)輝為本論文共同第一作者,。黃波教授為論文通訊作者,，華中科技大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院為論文第一和通訊單位。
相關(guān)論文信息（DOI）： 10.1038/s41590-022-01365-1
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