樹突狀細胞功能的代謝調控:詳細解讀

編譯：杜春春；審校：繆長虹

樹突狀細胞（Dendritic cells, DC）是機體功能最強的專職抗原遞呈細胞（Antigen presenting cells, APC），它能高效地攝取、加工處理和遞呈抗原，未成熟DC具有較強的遷移能力，成熟DC能有效激活初始T細胞，處於啟動、調控、並維持免疫應答的中心環節。DC在機體免疫穩態、免疫原激活和免疫耐受期間的代謝調控尤為複雜，且不同的DC亞群控制T細胞的不同反應。為探究代謝對DC分化和可塑性的影響以及DC亞群之間的代謝差異，2019年《Front Immunol》雜誌上發表了題為《Metabolic Control of Dendritic Cell Functions: Digesting Information》的綜述，具體介紹如下：

DC發育的代謝控制

靜息狀態下DC包括1型樹突狀細胞（cDC1s）、2型樹突狀細胞（cDC2s）、雙陰性（CD8/CD103-CD11b-）樹突狀細胞（DN-DC）和漿細胞樣樹突狀細胞（pDCs）。DC起源於骨髓中的髓樣幹細胞，其來源有兩條途徑：髓樣幹細胞在粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子GM-CSF的刺激下分化為DC，稱為髓樣DC（myeloid dendritic cells，MDC），即cDC1s，與單核細胞和粒細胞有共同的前體細胞；包括朗格漢斯細胞（Langerhans cells ，LCs），間皮DCs以及單核細胞衍生的DCs等；來源於淋巴樣幹細胞，稱為淋巴樣DC（Lymphoid dendritic cells，LDC）或漿細胞樣DC（plasmacytoid dendritic cells，piX）即cDC2s，與T細胞和NK細胞有共同的前體細胞。此外，炎症過程中，DC可由血液單核細胞發育而來（moDCs）。具體亞群詳見表1：

表1：DC亞群分類

DC生成過程中的能量代謝

（1）GM-CSF誘導單核細胞向DC分化

GM-CSF和白介素-4（IL-4）誘導人單核細胞向DC的分化和存活，依賴PI3K介導的mTOR複合物1（mTORC1）活化（圖1），可被mTOR/mTORC1抑制劑雷帕黴素抑制（表2）。過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）是mTORC1的下遊通路，在moDCs分化早期上調，通過控制脂質代謝影響細胞成熟和功能。阻斷乙醯輔酶A羧化酶（ACC） 1可通過抑制胞質脂肪酸合成（FAS）減少moDCs分化。此外，PPARγ協同劑1α（PGC1α）、線粒體轉錄因子（TFAM）、線粒體生物誘導劑和間接的mTORC1靶點在moDC分化過程中均表達升高。與單核細胞相比，分化後的moDCs具有更高的耗氧量（OCR），含有更多的線粒體，產生更多的三磷酸腺苷（ATP）。因此，moDCs的分化依賴於氧化磷酸化（OXPHOS）和脂質代謝。

GM-CSF體外培養的小鼠骨髓分化的DC樣細胞（由DCs和巨噬細胞混合組成的培養體系，GM-DC，表2）顯示葡萄糖攝取高，線粒體膜電位高，耗氧量高。低氧條件下GM-DC的分化導致細胞總數減少，低氧誘導因子（HIF） 1α缺乏進一步減少CD11c + GM-DCs，可能與ATP下降有關。HIF1α是關鍵的代謝調節劑和驅動糖酵解的目標因子，在GM-DCs葡萄糖代謝和糖酵解途徑中均顯示活躍。GM-DC培養中，抑制劑5-（四氧嘧啶）-2-呋喃酸（TOFA）阻斷ACC1對脂肪酸合成酶的損傷或使用脂肪酸合成酶（FASN）抑制劑亞甲基-2-辛酯-5 -四氫呋喃-3-羧酸（C75，圖2）可減少體內DC的生成，從而說明平衡的脂質代謝有助於DC的發育。

圖 1：mTOR / AMPK信號傳導。

圖 2：細胞代謝網絡

（2）自然DC分化

正常情況下，能量限制小鼠模型中CDPs、DCs前體，cDCs和pDCs均減少，而骨髓母細胞、單核細胞和脾臟巨噬細胞增多，FMS樣酪氨酸激酶3配體（FLT3L）無法逆轉。小鼠骨髓中自然DC母細胞（FLT3L- DC培養，表2）依賴於營養轉運體和葡萄糖攝取，在體外FLT3L刺激下增殖。通過抑制脂肪酸氧化（FAO）可促進 M1 線粒體融合或Mdivi-1阻斷裂變，不影響pDCs但使cDC向cDC2s分化，而活性氧（ROS）的抑制有利於cDC1s（圖2）。總之，能量代謝moDCs的分化和功能中發揮重要作用，且不同DC亞群生成具有不同能量需求，其中moDCs和脾臟cDC1s似乎比cDC2s或pDCs更依賴於功能線粒體代謝和OXPHOS（表1和2）。

影響DC發育的營養傳感通路

mTORC1和mTORC2複合物組成的mTOR網絡適應細胞內外營養傳感通路（圖1）是DCs發育的核心。DC分化誘導因子GM-CSF和FLT3L直接誘導mTOR激活。

（1）單細胞來源的DC和胚胎來源的朗格漢斯細胞

mTORC1通路介導moDCs和LCs的產生和生存。雷帕黴素影響mTORC1強於mTORC2，消除其分化，誘導細胞凋亡，CD11c細胞特異性mTORC1敲除小鼠表皮LCs會逐漸喪失。同時，LCs也缺乏p14 [溶酶體調節器和絲分裂激活蛋白激酶和mTOR激活劑2 （LAMPTOR2）]導致細胞外信號調節激酶（ERK）和mTOR信號通路的失效，漸漸成熟，無法自我更新以降低TGF -β1，這是LCs分化和生存的關鍵。

（2）普通DC母細胞產生的DC

雖Ras/PI3K/AKT/mTOR信號軸（圖1）被FLT3L激活，但mTOR信號在FLT3L、CDp衍生的DC亞群中的確切作用越加模糊（表1、2）。雷帕黴素減少FLT3L - DC中pDCs、cDC1s和cDC2s的生成，而磷酸酶和緊張素同源物（PTEN）的丟失則增強了cDC2s的生成和mTOR / PI3K / AKT信號。雷帕黴素可減少骨髓CDPs和DCs前體以及脾臟中總CD11c + DCs、pDCs和cDC2s 。PTEN缺陷小鼠的淋巴和周圍器官中，cDC1s明顯增殖，雷帕黴素可逆轉這一表型。總之，複雜的營養傳感系統和mTORC1信號傳導系統之間的微妙平衡對於DCs的發展至關重要。

表2：DC的培養系統

免疫DC刺激後的代謝變化

DC的分解代謝，並產生能量和細胞所需的營養物質來源於OXPHOS，由三羧酸（TCA）循環驅動，FAO和穀氨醯胺分解提供能量，主要受AMPK調控。DC在免疫激活後，通過合成代謝底物進行生物合成和細胞生長。激活的DCs轉換到糖酵解提供能量，其代謝產物可重新進入戊糖磷酸途徑（PPP）（表1、2）。TCA循環可作為免疫調節的中間體，中間產物可以作為免疫調節信號並為FAS提供底物（圖3）。目前關於DC代謝的研究都是源自小鼠骨髓中GM-CSF分化的DC樣細胞。該DC培養模型對了解DC刺激後的代謝過程發揮很大作用，但對不同的DC亞群至今仍未有研究。不同DC亞群的發育對代謝需求有明顯差異，因此需要新的模型來進一步探究具體亞群的代謝機制。

糖酵解活性決定炎症DC的功能

糖酵解的早期升高是DC活化的代謝特徵。LPS和酵母聚糖等刺激物能強烈誘導共刺激分子和細胞因子的上調，而弱激活劑室內塵蟎 （HDM）或缺乏TLR配體（ZymD）的合子酶誘導更溫和的GM-DC成熟曲線。重要的是，激活劑誘導GM-DC活化的能力與糖酵解誘導的增強呈直接相關。

糖酵解對活化DC功能的需求

阻斷葡萄糖-丙酮酸途徑會顯著影響DC成熟，並會上調共刺激分子、細胞因子的分泌以及T細胞的刺激能力。2-脫氧葡萄糖（2-DG）抑制糖酵解、糖酵解酶的基因缺陷、乳酸脫氫酶A（LDHA）或丙酮酸脫氫酶激酶1 （PDK1）過度表達都可以抑制GM-DC成熟和免疫原性，並使GM-DC傾向於誘導Th17和調節性T細胞（Treg），而非Th1和Th2。從小鼠脾臟分離的cDC1s和cDC2s在2-DG作用下被LPS激活時，會降低共刺激分子的表達、IL-12的產生以及CD4+和CD8+ T細胞的活化。此外，2-DG可破壞TCA循環、OXPHOS和ATP水平。

人moDCs刺激後其吞噬功能不受糖酵解抑制。而衰老小鼠脾臟的cDC1s和DN-DCs[稱為胞飲樹突狀細胞（mcDCs）]內吞/吞噬活性降低，導致抗原交叉表達下降，可能與線粒體功能障礙有關。當糖酵解受到抑制後，增加了HIF1α穩定性，使GM-DCs缺氧狀態下抗原攝取減少。葡萄糖和糖酵解活性的增強是DCS遷移能力的必要條件。早期糖酵解是DC免疫原性激活的特徵，對其成熟、分化和遷移能力至關重要，但對吞噬或抗原攝取作用基本沒有影響（圖3）。

圖3 ：GM - DC糖酵解誘導的差異調控及其對刺激的影響

圖 4：激活後小鼠和人類DC亞群的差異代謝重排

耐受性DC的代謝狀態及其調控通路

（1）耐受性DC的代謝適應

DC有助於維持免疫耐受，以防止過度激活免疫系統和隨後的自身免疫性疾病。維生素D3誘導DC向抑制型轉化，地塞米松（DEX）參與調節DC的成熟，包括抗原表達和細胞因子的產生，導致耐受表型。白藜蘆醇是一種植物性多酚，可阻止小鼠和人DC成熟和免疫原性激活。。

耐受性人moDCs由DEX+VitD3處理48h或1,25-二羥基維生素D3處理 24 h後產生，有較強的分解代謝與代謝可塑性。與未處理的moDCs相比，OXPHOS、糖酵解/葡萄糖代謝和FAO相關的基因表達增加，線粒體呼吸（OCR）和糖酵解活性（ECAR）升高。與LPS激活的免疫原性DC相比，耐受性DC對糖酵解的依賴似乎更少，因它們在很大程度上上調了功能氧化酶，並根據環境調整了它們的代謝。以上結論僅基於人moDCs，而其它耐受性DC亞群在複雜體內環境中的代謝仍有待研究。

（2）AMPK和mTOR通路影響DC的耐受性

DC的耐受狀態受營養傳感通路AMPK和mTOR平衡的影響，這兩種通路對DC的免疫原性刺激同樣依賴於內環境。與主要受mTOR信號控制的未成熟DC相比，DC的炎症激活涉及糖酵解活性和合成代謝的增強，雷帕黴素抑制mTOR可導致DC耐受性。因此，DEX或白藜蘆醇處理的巨噬細胞可以阻斷iNOS的表達和NO的生成，其上調與LPS激活的GM-DCs相關。

mTOR/AMPK信號之間的平衡在耐受性DCs中的確切作用目前仍存在爭議。PI3K/AKT/mTOR軸獨立於AMPK，對moDCs的耐受性至關重要。與非耐受對照相比，DEX 和維生素D3再刺激耐受的moDCs明顯上調了mTOR的磷酸化和信號轉導。PI3K或mTOR抑制劑增強MHC和共刺激分子的表達，降低共抑制分子。感應的CD4 +和CD8 + T細胞增殖和IFNγ也增強了人moDC的耐受性，AICAR激活AMPK也不能改變1,25（OH）2-維生素D3處理的moDCs的耐受表型。

腫瘤中的脂質積累和DC功能障礙

脂質代謝在免疫原性和耐受性DC功能中的作用尚不明確。儘管DC內的脂質積累可能與免疫原性和交叉反應相關，但也可與腫瘤環境中的DC功能障礙有關。腫瘤相關的DC胞漿內堆積了大量脂質。從攜帶腫瘤小鼠體內分離到的載脂DC，表現出抗原處理及遞呈功能障礙。腫瘤細胞可分泌未知因子上調DCs巨噬細胞清除受體1（Msr1），導致DCs胞漿內異常的脂質積累；TOFA抑制Msr1或阻斷FAS可恢復脂質含量和DC免疫原性。這種效應僅在cDC1s和cDC2s中觀察到，反映了DC亞群在體內的不同功能或不同代謝途徑（表1、圖4）。與CD103 - DC相比，腫瘤小鼠引流淋巴結（dLNs）的CD103+ cDC1s積累了更多的LBs，大大降低了它們交叉抗原的能力。交叉遞呈在產生有效的抗癌CD8+細胞毒性T細胞反應中起著重要作用，為腫瘤浸潤性DC誘導有效抗腫瘤適應性反應的能力受損提供了代謝解釋。

腫瘤相關DC中所含的氧化脂質也會影響交叉表達。氧化不飽和脂肪酸和膽固醇酯的積累不影響內源性抗原表達，但會破壞交叉表達；非氧化性脂肪酸的積累並不會導致交叉表達。腫瘤相關的DCs引發脂質過氧化反應, 由IRE-1αXBP1及其ER應激引起，XBP1的激活反過來又誘導脂質生物合成程序，導致LBs的積累和抗原遞呈的鈍化，從而降低腫瘤生長的能力。

胺基酸代謝和耐受性DC功能

必需胺基酸色氨酸（Trp）的分解代謝對平衡炎症和耐受性至關重要。Trp由IDO1（色氨酸代謝限速酶）代謝，消耗氧氣的過程中產生犬尿氨酸 （Kyn）。腫瘤細胞高度表達IDO1，並參與免疫逃避。IDO1介導Trp分解代謝促進局部免疫抑制有以下兩方面：（1）飢餓的Trp通過破壞T細胞周期機制來限制T細胞的增殖；（2）Kyn產物誘導T細胞凋亡, 通過下調T細胞受體（TCR）CD3抑制T細胞的細胞毒性和誘導Tregs分化。值得注意的是，腫瘤相關的pDCs的一個亞群，在腫瘤引流淋巴結（tdLNs）中積累，表達IDO並使抗原特異性T細胞無用，促進腫瘤進展，細胞因子如IFNγ和TGFβ和免疫抑制藥物，如DEX誘導產生IDO。細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白（CTLA-4）表達的Tregs與pDCs上的B7家族受體結合，也可誘導IDO1的表達。

Arg（精氨酸）是另一種具有中樞免疫調節作用的胺基酸，Arg在炎症條件下被iNOS代謝生成L -瓜氨酸和NO，後者與激活的GM-DCs相關聯。另外，Arg可以被精氨酸酶1和2（Arg1和2）代謝產生鳥氨酸，鳥氨酸是支持腫瘤細胞增殖的多胺前體。腫瘤浸潤DC作為Arg的受體，有助於局部Arg的消耗，並間接抑制T細胞的抗腫瘤反應。此外，DCs通過Arg1激活IDO1酶和轉導活性，釋放聚胺亞精胺，觸發DC對TGFβ的耐受表型。骨髓來源的抑制細胞也會釋放多胺使DC表達IDO1，通過調節腫瘤中的胺基酸分解代謝增強免疫抑制。

「論腫道麻」點評

DC的功能由其免疫能力和耐受性決定。DC在機體免疫穩態、免疫原激活後和免疫耐受期間的代謝調控尤為複雜，且不同的DC亞群控制T細胞的不同反應。DC的分型目前仍不明確，且現有的研究都是基於GM-CSF誘導的小鼠骨髓源DC樣細胞，有別於天然DC代謝重組的調控和機制。

此外，使用抑制劑或代謝調節點相關基因敲除的方法來探究代謝途徑的調節是有爭議的。代謝抑制劑可在小鼠和人DC細胞試驗中直接使用，但在體內DC特異性研究中具有局限性，且有脫靶的可能。利用Cre小鼠或其他遺傳方法（如shRNA或CRISPR/Cas9）對DCs中的代謝調節因子進行基因敲除對DC的代謝障礙進行研究，雖然很大程度上避免了副作用，然而重要代謝調節因子的遺傳缺陷可能導致DC發育的失調，以及引起不控制的機體補償機制。雖然關於研究的方法沒有共識，但在體研究DC的代謝機制比離體研究更具有相關性。此外，將抑制劑和代謝調節點相關基因敲除的方法相結合來進行DC代謝研究將更有說服力。

DC因受腫瘤微環境影響而導致其激活機體抗腫瘤免疫應答的功能異常，被認為是導致腫瘤免疫逃逸的重要原因。由於臨床腫瘤相關的DC細胞來源有限，而現有體外模型同腫瘤微環境相比仍有較大差異，因此一定程度上缺乏穩定、有效的實驗模型限制了對DC所介導的腫瘤免疫逃逸相關機制的研究。DC通過改變其脂質代謝（通過分泌因子或間接改變腫瘤微環境）來抑制腫瘤中DC功能。腫瘤相關DC在腫瘤細胞糖酵解率高導致葡萄糖缺乏的組織中發揮作用，如不能進行糖酵解則會導致DC功能障礙。另外，腫瘤源性因子可在DC中強化FAO和OXPHOS，促進脂質積累，進而分別抑制促炎細胞因子分泌和抗原交叉表達。儘管如此，腫瘤相關DC胞漿脂質堆積的具體機制至今尚未闡明。有學者認為脂質積累是由一脂肪生成程序的激活引起，而有些認為是由於脂質攝取增加。此外，腫瘤細胞還分泌相關因子作用於腫瘤浸潤DC，誘導腺苷或乳酸耐受型DC。因此，腫瘤相關DC的代謝重編碼可能會促進腫瘤的發生發展。

（ 編譯 杜春春；審校 繆長虹）

參考文獻：Wculek SK, Khouili SC, Priego E, Heras-Murillo I, Sancho D. Metabolic Control of Dendritic Cell Functions: Digesting Information. Front Immunol. 2019 Apr 25;10:775. doi: 10.3389/fimmu.2019.00775

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