CD4細胞是人體免疫系統中的一種重要免疫細胞，在整個激活階段需要進行代謝重編程。在CD4T細胞中，T細胞受體的連接以及細胞因子信號的共同刺激下可誘導糖酵解合成代謝，這是細胞快速增殖所必需的。CD4T細胞分化和功能可通過信號傳導和轉錄重構協調進行，然而目前尚不清楚這些過程是否可由細胞中的代謝成分獨立調節。因此，來自耶魯大學醫學院免疫生物學系的科學團隊與2020年在Nature上，發表了一篇關於「不同的線粒體代謝模式影響T細胞的分化和功能」的研究。
研究發現：
1）天冬氨酸是TH1增殖所必需的。
2）線粒體檸檬酸鹽的消耗和蘋果酸-天冬氨酸穿梭促進組蛋白乙醯化，並調節參與T細胞活化的基因表達。
3）蘋果酸-天冬氨酸、線粒體檸檬酸鹽的消耗提供了T細胞活化早期增殖和表觀遺傳重塑所需的底物，為細胞分化及功能的形成提供能量。
部分研究展示：
1）TCA循環酶的活性對TH1細胞的激活是必需的
先前的研究表明，TCA循環可通過分別生成NADH和琥珀酸鹽生成複合物I和複合物II來促進線粒體氧化還原的電子傳遞（ETC）。然而，ETC在T細胞活化後期的作用尚不清楚。為了測試TCA循環對效應T細胞功能的貢獻，研究人員使用TCA循環抑制劑氟乙酸鈉處理在TH1條件下培養的細胞。在T細胞培養的第1天滴定氟乙酸鈉或糖酵解抑制劑2-脫氧-d-葡萄糖（2DG；TH1細胞激活抑制劑，用作陽性對照），並在第3天測定細胞增殖，第5天檢測Ifng-Katushka的基因表達。結果發現，雖然2DG在低劑量下比氟乙酸鈉更有效，但兩種抑制劑都以劑量依賴的方式損害Ifng-Katushka的轉錄和T細胞增殖，這表明TCA循環酶的活性對TH1細胞的最佳激活是必需的。
為了評估TCA循環的下遊過程對輔助性T細胞增殖和功能的作用，研究人員在第2天（評估增殖）或第4天（評估細胞因子生成）用ETC抑制劑治療TH1細胞，並在第二天對細胞進行分析。與2DG或氟乙酸鈉破壞TCA循環不同，ETC抑制劑會導致增殖和功能的阻滯。雖然琥珀酸脫氫酶（複合物II）的抑制並不損害增殖，但阻斷複合物I和複合物II導致分裂細胞的數量減少。這表明無論細胞因子所處環境如何，複合體I都支持細胞分裂。
2）線粒體代謝的變化促進組蛋白乙醯化並調節參與T細胞活化的基因表達
為了測試除了與輔助性T細胞分化有關的增殖過程是否受到影響，研究人員分析了SDH缺乏對組蛋白乙醯化的影響。研究發現，SdhccKO細胞表現出H3K9乙醯化的增加，DMM（丙二酸二甲酯）處理以及Sdha靶向sgRNA的輸送增加了H3K9和H3K27的乙醯化。這表明複合物II通過對增殖和組蛋白乙醯化的負調節來對抗T輔助細胞分化。
為了測試複合物II在促進TH1細胞功能程序的其他方面的作用，研究人員在細胞激活後第5天評估了Sdhc-cKO和野生型細胞中TBET蛋白的表達。與IFNγ產生缺陷一致，Sdhc-cKO小鼠TH1細胞TBET蛋白表達水平降低。RNA測序的結果與TBET表達降低一致，複合物II缺陷的小鼠表現出TH1細胞關鍵基因和T輔助細胞激活過程中重要基因的表達顯著降低。這些數據表明SDH活性是線粒體代謝支持TH1細胞功能的主要機制。
3）蘋果酸-天冬氨酸代謝為T細胞分化提供能量
前期的研究數據表明蘋果酸-天冬氨酸和線粒體檸檬酸鹽的消耗是TH1細胞增殖和轉錄重構所必需的。為了研究可能解釋這些觀察結果的生化機制，研究人員對以Slc25a1（線粒體檸檬酸載體）或Slc25a11-sgRNA為靶點的T細胞進行了質譜分析。結果發現，檸檬酸鹽轉運的中斷會導致細胞乙醯輔酶A水平的降低。靶向Slc25a11導致細胞NADH/NAD+比率降低，這表明在激活的TH1細胞中複合物I的活性是調節細胞NADH/NAD+的主要機制。
此外，靶向Slc25a1或靶向Slc25a11-sgRNA均會導致戊糖磷酸途徑中間產物和N-氨甲醯-L-天冬氨酸（核苷酸合成的基本前體分子）的中間產物水平降低。同時觀察到複合物I支持早期T輔助細胞增殖，而蘋果酸-天冬氨酸代謝為複合物I提供能量底物。眾多數據表明，線粒體對複合物I的調節決定了T細胞增殖過程中所需的代謝能量。
小結：
本研究結合藥理學、轉錄組學和代謝組學的方法，展示了TH1細胞在激活過程中如何滿足分化和功能的不同代謝需求。為提供細胞增殖和表觀遺傳重構所需的底物，早期激活的輔助性T細胞通過蘋果酸-天冬氨酸和線粒體檸檬酸鹽的消耗為複合物I提供燃料。與蘋果酸-天冬氨酸（將蘋果酸交換為α-酮戊二酸）不同，複合物II將碳代謝向前移動。這些發現說明了T細胞的分化和功能是如何由不同的代謝模塊調控的，為闡明免疫細胞的生長和調控機制提供了科學依據。