綜述|各類免疫代謝信號通路介紹

間充質(zhì)干細(xì)胞、免疫細(xì)胞、外泌體源頭實(shí)驗(yàn)室

▉ 摘要

T細(xì)胞受體、共刺激信號和細(xì)胞因子信號協(xié)調(diào)地支配觸發(fā)T細(xì)胞激活和功能編程的特定信號網(wǎng)絡(luò)。了解免疫代謝信號網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)器和效應(yīng)器可能會發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)人類疾病中代謝程序和T細(xì)胞反應(yīng)的治療靶點(diǎn)

綜述|各類免疫代謝信號通路介紹

在這篇文章中,我們總結(jié)了絲氨酸/蘇氨酸激酶介導(dǎo)的關(guān)鍵信號網(wǎng)絡(luò)的上游調(diào)節(jié)器信號效應(yīng)器,包括調(diào)節(jié)代謝的PI3K–AGC激酶mTORLKB1–AMPK途徑,特別是在T細(xì)胞中的調(diào)節(jié)作用。我們重點(diǎn)討論了參與免疫代謝調(diào)節(jié)的細(xì)胞信號通路,主要涉及參與代謝調(diào)節(jié)的相關(guān)分子、上游和下游靶點(diǎn)及其細(xì)胞類型特異性效應(yīng),分為PI3K、AGC、mTOR的機(jī)制靶點(diǎn)和LKB1–AMPK信號

當(dāng)T細(xì)胞受體(TCR)共刺激和細(xì)胞因子信號存在的情況下識別同源抗原時,原始T細(xì)胞中的信號網(wǎng)絡(luò)被激活,以促進(jìn)克隆擴(kuò)增、效應(yīng)細(xì)胞分化和免疫功能。在抗原清除后,大多數(shù)效應(yīng)細(xì)胞通過程序性細(xì)胞死亡而死亡,但一些細(xì)胞作為記憶細(xì)胞則會長期存在,并為快速回憶進(jìn)行下一次免疫斗爭做好準(zhǔn)備。此外,T細(xì)胞的功能狀態(tài)有著相同和不同的轉(zhuǎn)錄程序,以及蛋白質(zhì)表達(dá)、活性和相互作用的差異。在現(xiàn)階段的研究中,這些差異才剛剛開始被理解,人們也越來越認(rèn)識到細(xì)胞代謝在決定T細(xì)胞發(fā)育和功能方面的重要性。

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▉1.?PI3K-AGC signaling

磷脂是影響下游免疫代謝途徑的關(guān)鍵第二信使,因此在轉(zhuǎn)換方面受到高度調(diào)節(jié)。磷脂轉(zhuǎn)換的一個中心介質(zhì)PI3K,它將磷脂酰肌醇-(4,5)-二磷酸(PIP2)轉(zhuǎn)化為磷脂酰肌醇-(3,4,5)-三磷酸(PIP3)PIP3的產(chǎn)生引起質(zhì)膜募集含有PH(pleckstrin homology)結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)功能調(diào)節(jié)

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因此,PI3K活性可以通過將大量含有PH結(jié)構(gòu)域的效應(yīng)蛋白招募到鄰近區(qū)域來產(chǎn)生亞細(xì)胞信號中樞。PI3K活性誘導(dǎo)參與調(diào)節(jié)細(xì)胞功能的多種信號通路,包括Akt(蛋白激酶B)磷脂酰肌醇依賴性蛋白激酶1(PDK1)以及mTOR復(fù)合物1

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PI3K–T細(xì)胞活化和代謝重編程中的AGC信號

TCR、CD28和IL-2R的激活誘導(dǎo)PI3K的磷酸化和激活,以及PI3K抑制分子的失活。PIP2通過PI3K的活性轉(zhuǎn)化為PIP3,PIP3促進(jìn)包括PDK1Akt在內(nèi)的下游信號分子的質(zhì)膜募集和激活mTORC2進(jìn)一步激活A(yù)kt并促進(jìn)代謝增加T細(xì)胞效應(yīng)器功能

▉1.1PI3K

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《Protein kinase C: perfectly balanced》

 

 

I類PI3K是一種異二聚體蛋白質(zhì),由一個催化的p110亞單位(p110α、p110β、p110δ或p110γ)和五個調(diào)節(jié)亞單位亞型(p50α, p55α, p55γ, p85α, or p85β)中的一個組成。在沒有刺激的情況下,催化亞單位的激酶結(jié)構(gòu)域調(diào)節(jié)亞單位抑制。PI3K底物的濃度與細(xì)胞激活狀態(tài)密切相關(guān),在T細(xì)胞中,細(xì)胞激活狀態(tài)TCR結(jié)合、CD28家族介導(dǎo)的共刺激和細(xì)胞因子信號(如IL-2R下游)決定。在上游激活后,PI3K的Src-homology-2(SH2)結(jié)構(gòu)域可結(jié)合上游受體或銜接蛋白上的特異性磷酸化YXXM基序,導(dǎo)致調(diào)節(jié)亞單位的抑制性連接釋放和催化亞單位移位至富含底物的質(zhì)膜

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PI3K信號由磷酸酶活性負(fù)調(diào)控。具體而言,PIP3分別通過磷酸酶張力蛋白同系物(PTEN)以及含SH2結(jié)構(gòu)域肌醇5′-磷酸酶(SHIP)轉(zhuǎn)化為PIP2PI-(3,4)-P2。SHIP在促進(jìn)Th1細(xì)胞反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用,而PTEN缺乏會導(dǎo)致T細(xì)胞過度活化,尤其是在次優(yōu)刺激下。PTEN在強(qiáng)TCR刺激或CD28共刺激下被抑制,部分原因是Tec家族激酶IL-2誘導(dǎo)T細(xì)胞激酶(Itk),并且在CD8 T細(xì)胞激活期間也受到AGK介導(dǎo)的磷酸化的負(fù)調(diào)節(jié)

▉1.2 AGC激酶
在最顯著的含有PH結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)中有AGC激酶的成員,包括PDK1、Akt、核糖體S6激酶(RSK,也稱為p90)血清/糖皮質(zhì)激素調(diào)節(jié)激酶1(SGK1)PDK1是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶,在激活其他AGC激酶(包括Akt和SGK1)中起重要作用。TCR和CD28激活促進(jìn)PDK1向質(zhì)膜的募集并誘導(dǎo)其磷酸化, Thr513處PDK1的蛋白激酶C-θ(PKC-θ)依賴性磷酸化,而不是激酶結(jié)構(gòu)域殘基(Ser241)的自動磷酸化,這對于驅(qū)動T細(xì)胞活化至關(guān)重要。在活化的CD8 T細(xì)胞中,PDK1參與代謝重編程,維持IL-2刺激下游的葡萄糖攝取和糖酵解,該過程需要mTOR–HIF-1α(缺氧誘導(dǎo)因子-1α),但不需要PI3K或Akt活性。PDK1活性的適當(dāng)調(diào)節(jié)對于加強(qiáng)適當(dāng)?shù)腡細(xì)胞活化以及控制炎癥的Treg細(xì)胞功能至關(guān)重要。在Ser473處的mTORC2磷酸化后,Akt達(dá)到最大激活,這允許Akt結(jié)合到被稱為PDK1的“PIF口袋”的底物dock,這促進(jìn)了Thr308處Akt的磷酸化mTORC2–Akt信號則可以協(xié)調(diào)T細(xì)胞激活、分化和運(yùn)輸

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The Clinical Implications of the Survival Pathway in Prostate Cancer
Akt在T細(xì)胞中的一個重要作用是通過磷酸化調(diào)節(jié)叉頭盒O(FoxO)轉(zhuǎn)錄因子的活性,這導(dǎo)致它們被排除在細(xì)胞核之外并終止靶基因轉(zhuǎn)錄FoxO蛋白在靜止的細(xì)胞群中更具轉(zhuǎn)錄活性,它們通過KLF2促進(jìn)穩(wěn)態(tài)細(xì)胞因子受體IL7R的表達(dá)以及細(xì)胞運(yùn)輸分子(如CD62L、CCR7和S1PR1)的表達(dá)。最近的證據(jù)表明FoxO1活性的適當(dāng)下調(diào)對T細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定至關(guān)重要。從機(jī)制上講,活化T細(xì)胞中的FoxO1下調(diào)對于協(xié)調(diào)細(xì)胞生長和增殖非常重要,因?yàn)樗试S持續(xù)的mTORC1信號和合成代謝,因此,Akt–FoxO1軸動態(tài)調(diào)節(jié)T細(xì)胞反應(yīng)

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另一種參與Akt信號傳導(dǎo)的絲氨酸/蘇氨酸激酶是糖原合成酶激酶3(GSK-3),它在靜息細(xì)胞中具有組成性活性,但通過Akt的磷酸化而失活。活性GSK-3在T和B細(xì)胞中通過限制活化T細(xì)胞的核因子(NFAT)活性,促進(jìn)其存活并限制活化。AGC激酶(如RSK)其底物在T細(xì)胞代謝規(guī)劃中的確切作用一直備受關(guān)注,也同樣是目前研究的重點(diǎn)方向。

▉2.?mTOR signaling

mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,存在于兩種信號復(fù)合物mTORC1mTORC2mTORC1由mTOR激酶定義,mTORC1的適配蛋白調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白和SEC13蛋白8(MLST8)的哺乳動物致死蛋白,以及脯氨酸Akt底物-1(PRAS1)及其靶DEP結(jié)構(gòu)域相互作用蛋白(DEPTOR)的抑制亞單位。mTORC1信號對胸腺中的T細(xì)胞發(fā)育、外周的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和分化為效應(yīng)CD4 Th1、Th2和Th17細(xì)胞以及細(xì)胞毒性CD8 T細(xì)胞至關(guān)重要。相比之下,Th1和Th2細(xì)胞分化更需要mTORC2活性,同時后者也能調(diào)節(jié)Tfh和Treg細(xì)胞的遷移

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mTOR信號通過調(diào)節(jié)體內(nèi)Treg細(xì)胞的激活、譜系穩(wěn)定性和抑制功能,在對抗傳統(tǒng)T細(xì)胞反應(yīng)中發(fā)揮額外作用。最后,mTOR信號可拮抗淋巴組織中長期記憶CD8 T細(xì)胞的分化,卻可促進(jìn)其在非淋巴組織中的發(fā)育。因此,mTOR信號是T細(xì)胞反應(yīng)的中央調(diào)節(jié)器

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T細(xì)胞中的mTOR信號

離散的mTOR復(fù)合物mTORC1(由mTOR、Raptor、PRAS1、DEPTOR和MLST8組成)和mTORC2(由mTOR、Rictor、Protor1/2、mSIN1和DEPTOR組成)由免疫受體(TCR、CD28和IL-2R)和生長因子激活。mTORC1的激活也對氨基酸等營養(yǎng)素敏感,氨基酸通過Rag復(fù)合物促進(jìn)mTORC1激活,Rag復(fù)合物也起到允許TCR和CD28共刺激信號誘導(dǎo)mTORC1激活的“許可”作用。Tsc復(fù)合物的活性受到免疫和生長因子信號的抑制,通過抑制小G蛋白Rheb的激活,后者促進(jìn)mTORC1的激活。mTORC1通過S6K和eIF4E誘導(dǎo)細(xì)胞生長和蛋白質(zhì)翻譯,并通過PPARγ和SREBP1誘導(dǎo)脂質(zhì)合成。在營養(yǎng)充足的條件下,mTORC1通過ULK1抑制自噬。mTORC2主要在細(xì)胞生長、增殖和存活的環(huán)境或亞特異性代謝重編程中起著關(guān)鍵作用。

▉3.?LKB1-AMPK signaling
LKB1–AMPK信號通路在調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝、增殖和生存以應(yīng)對營養(yǎng)和能量需求的改變方面起著核心作用。LKB1–AMPK信號可促進(jìn)產(chǎn)生ATP的分解代謝途徑,并使T細(xì)胞在應(yīng)對能量應(yīng)激時具有代謝可塑性。通過調(diào)節(jié)代謝重編程,LKB1和AMPK有助于T細(xì)胞的分化和功能。在以下部分,我們將介紹LKB1和AMPK活性是如何調(diào)節(jié)的,其對代謝的影響以及在T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫中的作用。

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通過LKB1和AMPK信號在T細(xì)胞中進(jìn)行代謝編程

能量應(yīng)激途徑激酶LKB1和AMPK由TCR和CD28共刺激信號激活,AMPK活性部分Ca2+CAMMK2途徑介導(dǎo)。在缺乏葡萄糖或谷氨酰胺或AMP/ADP/ATP比值失衡,也可促進(jìn)LKB1–AMPK信號傳導(dǎo)。上游營養(yǎng)感應(yīng)蛋白,如Fnip–Flcn復(fù)合物和Roquin,可以抑制AMPK功能LKB1的激活與線粒體代謝和適應(yīng)度的變化以及特定環(huán)境下甲羥戊酸代謝的增加有關(guān)。通過調(diào)節(jié)多個下游靶點(diǎn)的活性,AMPK信號可阻止糖酵解、谷氨酰胺解和脂肪酸合成的代謝程序,同時促進(jìn)分解代謝過程,如有絲分裂吞噬和自噬。AMPK還通過促進(jìn)線粒體凋亡來驅(qū)動線粒體生物發(fā)生和線粒體動力學(xué),從而支持線粒體活性。

▉3.1?LKB1和AMPK的調(diào)節(jié)

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《The LKB1-AMPK pathway: metabolism and growth control in tumour suppression》

LKB1是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶,具有腫瘤抑制功能,參與調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝和增殖。LKB1有許多下游靶點(diǎn),包括定義最明確的靶點(diǎn)AMPK和AMPK相關(guān)激酶,如BRSK、NUAK和MARK。LKB1的上游調(diào)節(jié)由細(xì)胞定位和翻譯后修飾介導(dǎo)。LKB1與STE20相關(guān)適配器(STRAD)和MO25形成復(fù)合物,分別促進(jìn)LKB1的細(xì)胞質(zhì)定位和激酶活性。此外,Akt可以通過促進(jìn)LKB1核滯留來抑制LKB1

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AMPK是一種保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶,由α、β和γ亞基組成。AMP和ADP與CBS3重復(fù)序列的結(jié)合限制了磷酸酶對AMPK催化α亞基上Thr172的訪問,該亞基是促進(jìn)AMPK激酶活性的關(guān)鍵磷酸化位點(diǎn)。最終,代謝產(chǎn)物的復(fù)雜調(diào)節(jié)允許AMPK活性在不同能量應(yīng)激條件下的“分級”反應(yīng)。至少三種上游激酶介導(dǎo)AMPK Thr172磷酸化:LKB1、鈣鈣調(diào)素激酶激酶2(CaMKK2)TGF-β激活激酶1(TAK1),其中LKB1和CaMKK2的作用最為清楚。在T細(xì)胞中,TCR和Ca2信號以及CD28共刺激協(xié)同作用,通過CaMKK2快速、瞬時激活A(yù)MPK。AMPK活性也通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用進(jìn)行調(diào)節(jié)。Fnip1和Fnip2與AMPK形成復(fù)合物,F(xiàn)nip1的功能缺失突變提高了B細(xì)胞的AMPK活性,從而確立Fnip1是AMPK的負(fù)調(diào)節(jié)因子。Fnip結(jié)合蛋白Flcn也與AMPK相互作用,可能作為AMPK信號的負(fù)調(diào)節(jié)因子,有證據(jù)表明Fnip1和Flcn受AMPK的相互調(diào)節(jié)。

▉ 3.2 LKBI-AMPK介導(dǎo)的分解代謝

AMPK活性與低營養(yǎng)豐度誘導(dǎo)一致,通常與分解代謝程序有關(guān),以生成ATP。AMPK通過ULK1的磷酸化激活自噬,ULK1可促進(jìn)自噬介導(dǎo)的線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài),促進(jìn)T細(xì)胞存活。此外,AMPK獨(dú)立于mTOR調(diào)節(jié),在葡萄糖受限時,AMPK還通過Ser15處p53的磷酸化介導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯。因此,LKB1–AMPK信號通過限制能量應(yīng)激期間的合成代謝和細(xì)胞生長促進(jìn)細(xì)胞存活。此外,通過磷酸戊糖途徑產(chǎn)生的代謝物核酮-5-磷酸對LKB1–AMPK途徑的破壞促進(jìn)了脂肪生成。相反,LKB1也可以促進(jìn)甲羥戊酸代謝,以AMPK非依賴性方式支持Treg細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)。因此,LKB1–AMPK信號主要作用于抑制脂質(zhì)合成途徑,但AMPK依賴性LKB1信號可能在選擇性情況下促進(jìn)新生脂肪生成

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對腫瘤細(xì)胞的研究表明,LKB1或AMPK信號的破壞促進(jìn)有氧糖酵解,部分是通過HIF-1α、因此增加糖酵解酶的轉(zhuǎn)錄。HIF-1α的LKB1–AMPK依賴性調(diào)節(jié)也可能部分依賴于mTORC1的抑制。LKB1–AMPK信號可能通過HIF-1α或ACC1介導(dǎo)的糖酵解和線粒體氧化代謝變化間接協(xié)調(diào)Th17和Treg細(xì)胞系的分化。此外,最近的研究表明,LKB1促進(jìn)穩(wěn)定的Foxp3表達(dá),以及Th2樣Treg細(xì)胞的發(fā)育,獨(dú)立于AMPK和mTORC1–HIF-1α信號,但依賴于β-連環(huán)蛋白信號。LKB1信號是TCR介導(dǎo)的Treg細(xì)胞激活后線粒體功能和線粒體依賴性代謝程序所必需的,包括FAO或嘌呤和嘧啶代謝。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)LKB1和AMPK協(xié)調(diào)代謝重編程以調(diào)節(jié)T細(xì)胞分化和Treg細(xì)胞功能

▉4.?免疫代謝信號網(wǎng)絡(luò)

上述主要信號通路在功能上并不排斥,相反,它們相互交織,相互作用,共同達(dá)到適當(dāng)?shù)?strong>代謝調(diào)節(jié),以滿足細(xì)胞功能的特定環(huán)境需求。因此,許多這些調(diào)節(jié)輸入?yún)R聚在共同的節(jié)點(diǎn)上,包括單個分子和整個細(xì)胞過程

綜述|各類免疫代謝信號通路介紹

免疫代謝通路的交叉調(diào)節(jié)

營養(yǎng)缺乏的條件下,LKB1–AMPK信號抑制合成代謝相關(guān)程序,如糖酵解和脂肪酸合成,同時促進(jìn)線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和自噬。AMPK通過其專一性轉(zhuǎn)接器蛋白Raptor的磷酸化直接抑制mTORC1。在激活和/或營養(yǎng)充足的條件下,PI3K–Akt和mTORC1信號促進(jìn)糖酵解、線粒體生物發(fā)生和脂肪酸合成,同時抑制自噬。據(jù)報道,Akt可以磷酸化LKB1抑制其功能定位

綜述|各類免疫代謝信號通路介紹

一般來說,PI3K–AGC激酶和mTOR活性的升高,以及LKB1–AMPK活性的降低,與細(xì)胞生長、增殖和效應(yīng)器功能相關(guān),這與代謝程序的變化相關(guān)。上游復(fù)合體的信號整合最終與下游代謝程序的調(diào)節(jié)有關(guān),決定免疫細(xì)胞代謝程序的信號通路也受到代謝物和營養(yǎng)物質(zhì)的交互影響。這種“雙向代謝信號”激酶依賴性信號和基因轉(zhuǎn)錄提供了另一層調(diào)控,以控制不同環(huán)境下的免疫細(xì)胞功能

免疫信號網(wǎng)絡(luò)在免疫代謝中的作用是一個令人興奮的研究領(lǐng)域,對治療和人類健康具有廣泛的意義。在這篇綜述中,我們強(qiáng)調(diào)了PI3K–AGC、mTOR和LKB1–AMPK信號在T細(xì)胞功能和命運(yùn)中的關(guān)鍵作用。該領(lǐng)域在理解這些信號分子是如何調(diào)節(jié)的以及它們是如何重新編程T細(xì)胞代謝方面取得了很大進(jìn)展,確定相對知名的上游免疫信號(如TCR、細(xì)胞因子受體)如何在代謝中傳遞不同的功能程序,可能為改善過繼性T細(xì)胞治療(如抗腫瘤CAR-T細(xì)胞治療)提供新的治療靶點(diǎn)

參考文獻(xiàn):
Saravia, J., Raynor, J.L., Chapman, N.M.?et al.?Signaling networks in immunometabolism.?Cell Res?30,?328–342 (2020). https://doi.org/10.1038/s41422-020-0301-1

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