上期文章Cell Metabolism | 氨基酸如何支持免疫（上）從以下幾個方面進行了總結：（1）不同免疫細胞如何選擇性地獲取氨基酸；（2）氨基酸如何支持對免疫細胞激活至關重要的代謝重編程；（3）氨基酸作為免疫細胞內氧化還原平衡的中心調節因子如何影響免疫細胞的代謝和翻譯活性。本期繼續探討氨基酸如何通過提供中間體來調節免疫效應蛋白的活性、急性免疫反應和免疫細胞記憶，以及免疫細胞與腫瘤細胞之間的氨基酸競爭，通過靶向氨基酸代謝如何調節癌癥、感染和自身免疫中的免疫反應。

氨基酸支持核酸和蛋白質修飾

氨基酸為甲基化提供甲基。蛋氨酸除了對硫代謝具有重要作用外，還為蛋白質和核苷酸的甲基化提供甲基來調節它們的功能（圖2和3）。組蛋白和DNA甲基化可以通過改變DNA對轉錄復合物的可及性來促進或抑制轉錄，T細胞激活時抑制(H3K27)和激活(H3K4)組蛋白甲基化均是轉錄重構的基礎。腺苷甲基化控制mRNA穩定性對T細胞穩態具有重要意義，缺乏N6-甲基腺苷甲基化(m6A) RNA的T細胞不會擴增和分化。蛋氨酸通過產生SAM來提供甲基基團，SAM是DNA、RNA和蛋白質甲基轉移酶的甲基供體，甲基轉移酶將甲基基團從SAM轉移至底物，產生SAH和甲基化底物（圖2）。然后，SAH水解酶將SAH代謝為同型半胱氨酸(Hcy)，Hcy可進一步生成半胱氨酸。蛋氨酸饑餓或蛋氨酸循環抑制的Th₁₇細胞在Il17a啟動子上H3K4甲基化降低且IL-17分泌減少，而蛋氨酸饑餓的Th₁細胞產生更少的IFN-γ。此外，膳食蛋氨酸限制導致EAE小鼠產IL-17和IFN-γ的細胞減少，延緩疾病的發生并降低了其嚴重程度。除了對免疫細胞功能的急性影響，蛋氨酸還可通過表觀遺傳修飾免疫細胞記憶而產生更持久的影響。

Figure 2. Sulfurous Amino Acids Maintain Redox Balance and Drive Protein Synthesis

基于蛋氨酸轉運的T細胞激活?？乖碳さ腡細胞增加并維持蛋氨酸轉運到細胞中，這是激活T細胞中甲基供體供應和甲基化目標分子的限速步驟。蛋氨酸轉運體的表達僅限于活化的T細胞，即使未成熟T細胞具有蛋氨酸代謝酶，也不能將足夠的蛋氨酸轉運到細胞中來增加蛋白質合成。因此，控制細胞蛋氨酸水平調控T細胞狀態。只有能增加蛋氨酸轉運的T細胞才有足夠的蛋氨酸來驅動甲基化、蛋白質合成和增殖。Slc7a5是激活T細胞中主要的蛋氨酸轉運體，對T細胞分化具有重要影響。TCR刺激促進蛋氨酸循環通量，增加SAH和Hcy的產生，并且蛋氨酸缺失時激活CD4⁺T細胞有增殖缺陷，但激活標志正常表達，產生IFN-γ的細胞頻率較低。蛋氨酸限制通過減弱Myc誘導來限制T細胞活化，這是T細胞活化的關鍵。

精氨酸促進多胺代謝。甲基化不是唯一受氨基酸供應調控的PTM（圖3）。精氨酸代謝也會導致蛋白結構修飾從而影響免疫細胞功能。精氨酸酶I將精氨酸代謝為鳥氨酸，而鳥氨酸供應多胺合成，包括亞精胺的產生。亞精胺被用來合成非常規的氨基酸hypusine，它在翻譯后只修飾一個已知的靶點，真核翻譯起始因子5a(eIF5a)，驅動翻譯延伸和終止。小鼠M1樣巨噬細胞通過誘導型NO合酶(iNOS)代謝精氨酸產生瓜氨酸和NO，抑制OXPHOS，導致糖酵解增加并支持促炎巨噬細胞功能，包括細胞因子的產生。多胺的產生支持M2樣巨噬細胞的功能，同時限制M1樣巨噬細胞的炎癥活性。

巨噬細胞從凋亡細胞中攝取精氨酸，通過精氨酸酶I代謝，并以腐胺依賴的方式激活肌動蛋白調節蛋白Rac1，使凋亡細胞進一步內化，確保巨噬細胞的代謝物供應。髓源性抑制細胞(MDSCs)還通過精氨酸酶增加精氨酸代謝，限制精氨酸對T細胞的供應，并以類似的方式抑制NK細胞功能和IFN-γ的產生。精氨酸缺乏的NK細胞活力、NK細胞激活受體NKp46和NKp30的表達以及IFN-γ降低。精氨酸驅動代謝向氧消耗轉變，增加活化的T細胞的備用呼吸功能，并支持CD4⁺T和CD8⁺T細胞存活。多胺替代部分挽救了谷氨酰胺剝奪對T細胞活化的不利影響，表明谷氨酰胺的一個用途可能是代謝為精氨酸以合成多胺。亞精胺還具有抗衰老作用，可能是由于其增強免疫細胞的功能。亞精胺隨著年齡的增長而減少，膳食補充或增強腸道菌群合成亞精胺可能通過維持免疫細胞活性而有助于延長壽命。

Figure 3. Amino Acids Influence Cell Function by Supplying Intermediates for Protein and Nucleotide Modifications

谷氨酰胺為己糖胺生物合成途徑提供燃料。己糖胺生物合成途徑(HBP)將谷氨酰胺代謝為尿苷二磷酸N-乙酰-氨基葡萄糖(UDP-GlcNAc)。谷氨酰胺饑餓或谷氨酰胺分解增加限制了谷氨酰胺對HBP的供應，降低細胞內UDP-GlcNAc水平，從而影響T細胞的功能。HBP和N-連接糖基化通量也調節Th₁₇細胞分化。Th₁₇細胞中，高糖酵解和谷氨酰胺分解限制了HBP活性，從而限制N-聚糖的分支并促進 Th₁₇細胞的產生。谷氨酰胺或 GlcNAC的補充，或谷氨酰胺分解的抑制，逆轉了這些效應，阻礙了Th₁₇細胞的產生，同時促進了T_reg細胞的分化。

TCR刺激和c-Myc激活促進CD4⁺T細胞的O-GlcNAc糖基化，這需要增加谷氨酰胺的攝取來增加UDP-GlcNAc的供應，通過這種修飾，NFAT和c-Myc本身被激活和穩定。胸腺T細胞自我更新、T細胞激活和擴增以及新生RNA合成、IL-2產生和原代人T細胞增殖需要O-GlcNAc轉移酶（OGT）。PKM2的O-GlcNAc糖基化促進了白血病細胞和實體瘤的核易位和糖酵解的激活。谷氨酰胺、甘氨酸以及半胱氨酸也可用于S-谷胱甘肽化修飾，在靶蛋白中加入谷胱甘肽三肽。但這種修飾是否以及如何在免疫細胞中發揮作用目前尚不清楚。總的來說，TCR刺激可以增加UDP-GlcNAc的產生，這本身就需要增加谷氨酰胺的供應，再次突出了谷氨酰胺運輸是調控T細胞功能的控制點。

BCAAs支持乙?；?/span>。BCAA代謝提供用于乙?；囊阴oA衍生物。HeLa細胞中亮氨酸衍生的乙酰CoA通過EP300乙酰轉移酶乙?；痬TORC1調節因子Raptor。一般來說，組蛋白乙?；谷旧|更容易進入轉錄復合物，并與轉錄增加有關，而組蛋白去乙酰化與轉錄抑制有關。H3K27乙?；膹V泛改變伴隨著巨噬細胞的分化，并且組蛋白乙?；牟町愑兄谡T導天然免疫耐受（對再刺激的反應性降低）或訓練(對再刺激的反應性增加)。參與糖酵解和mTOR信號轉導的基因在人原代單核細胞的β-葡聚糖訓練中表現出改變的乙?；Ｊ?。調節HDAC活性和啟動子乙酰化可正向和負向調節炎癥基因的表達。

非組蛋白乙?；矔绊懨庖呒毎δ?。中樞促炎轉錄因子核因子(NF) kB的活性需要其乙酰化，NLRP3蛋白乙酰化促進炎癥小體的激活。乙酰化可能是伴隨免疫細胞激活的代謝開關的基礎，因為大多數糖酵解和TCA循環酶都可以乙?；?，從而影響酶的功能。例如記憶CD8⁺T細胞中3-磷酸甘油醛脫氫酶乙酰化增強了自身的活性，增加糖酵解以支持迅速的召回反應和細胞因子產生。這些記憶CD8⁺T細胞增加乙酸攝取，以擴大其乙酰CoA池，以支持這種增加的乙酰化，但增加BCAA供應可能具有同樣的效果。相反，由HDACs介導的去乙?；梢钥寡祝虼讼拗艬CAAs的乙?；梢赃_到類似的結果。

氨基酸用于免疫細胞核苷酸合成

細胞分裂和轉錄過程中需要核苷酸來合成DNA和RNA，嘌呤和嘧啶核苷酸通過細胞周期促進活化的T細胞進程，Myc增加核苷酸合成基因的表達。天冬氨酸和谷氨酰胺為嘧啶環的形成提供碳骨架，而來自絲氨酸-甘氨酸代謝的甘氨酸和四氫葉酸(THF)為嘌呤的合成提供碳。核苷酸可以部分挽救谷氨酰胺剝奪對T細胞活化的不利影響，表明谷氨酰胺在免疫細胞活化中可以提供核苷酸。

CD8⁺ T_eff細胞激活增加了絲氨酸、甘氨酸、一碳(SGOC)網絡組分的表達，并且絲氨酸限制抑制T細胞增殖，但不抑制活化標志物CD69、CD25和CD44或IFN-γ的產生。這些T細胞需要胞外絲氨酸來支持嘌呤核苷酸的產生，為絲氨酸缺乏的T細胞提供甲酸和甘氨酸足以恢復嘌呤生物合成和T細胞增殖，絲氨酸是1-C途徑的主要碳來源。有研究報道甘氨酸通過在質膜中打開甘氨酸門控通道來降低細胞內鈣水平從而對T細胞也有抗增殖作用。

核苷酸合成也需要天冬氨酸。ETC活性抑制的Jurkat細胞降低了天冬氨酸的合成，從而減緩了這些細胞的增殖。胞質天冬氨酸氨基轉移酶GOT1將天冬氨酸轉氨為谷氨酸從而將還原當量轉移到線粒體基質，但在ETC被抑制時，反向產生天冬氨酸，部分補償線粒體天冬氨酸合成的損失，這種逆轉作用支持ETC抑制的Jurkat細胞的增殖。線粒體代謝還通過提供電子受體(如O₂)來支持天冬氨酸的合成。谷氨酰胺合成天冬氨酸需要線粒體代謝產生的電子受體。在沒有這種電子受體的情況下，天冬氨酸的合成和核苷酸的產生降低。

免疫細胞與癌細胞競爭氨基酸

所有細胞都需要氨基酸來合成蛋白質和發揮功能，但免疫細胞狀態的迅速和急劇變化對氨基酸的要求非常特殊。限制氨基酸供應會損害免疫細胞功能，這種情況可能發生在致瘤環境中，以限制抗腫瘤免疫。癌細胞具有較高的代謝需求，可以與免疫細胞競爭氨基酸資源（圖4）。

Figure 4. Do Immune Cells and Tumor Cells Compete for Amino Acids in the Tumor Microenvironment?

腫瘤細胞具有不同的氨基酸需求。與T細胞一樣，腫瘤細胞從外界攝取氨基酸依賴于谷氨酰胺的攝入。甘氨酸通過Shmt2促進絲氨酸-甘氨酸交換，甘氨酸消耗與癌細胞增殖有關。Shmt2活性的增加驅動絲氨酸代謝，通過供應核苷酸支持癌細胞增殖。癌細胞確實會增加SGOC網絡的活性，其中絲氨酸被代謝為甘氨酸，并產生5，10-亞甲基四氫葉酸，為核苷酸合成提供1-C。腫瘤初始細胞增加了蛋氨酸循環活性和轉甲基化速率，使這些細胞依賴于胞外蛋氨酸的攝入。抑制蛋氨酸代謝或限制胞外蛋氨酸可促進癌細胞死亡。脯氨酸代謝支持轉移形成，乳腺癌細胞攝取丙酮酸也是如此。乳腺癌細胞利用這種代謝物驅動膠原羥化重塑細胞外基質，促進轉移。這種膠原修飾依賴于丙酮酸代謝為αKG，同時分泌丙氨酸，這可以驅動未成熟T細胞的初始激活和T_mem細胞的再刺激。另一方面，丙酮酸還能增加巨噬細胞中免疫檢查點受體配體PD-L1的表達。癌細胞攝取的丙酮酸是否用于增加PD-L1的表達并抑制抗腫瘤反應值得探究。通過BCAT1增加BCAA分解代謝促進膠質母細胞瘤的生長，可能是通過促進產能的代謝途徑，但肝細胞癌的進展與BCAT1介導的BCAA分解代謝減少有關。這保留了BCAAs來激活mTOR。因此，重要的是要描述不同癌癥類型的氨基酸需求。

由于腫瘤細胞和各種腫瘤相關免疫細胞的氨基酸代謝，腫瘤微環境中氨基酸供應的改變可能具有促進和抗腫瘤的作用。例如，剝奪T_reg細胞中的氨基酸可以消除其對T_eff功能的抑制作用，從而促進T_eff細胞的抗癌活性。刺激TCR可增加T_reg細胞中氨基酸轉運體的表達，精氨酸和亮氨酸通過小G蛋白RagA/B和 Rheb1/2促進T_reg細胞mTORC1的活性。這種信號驅動T_reg細胞的抑制活性，包括誘導性T細胞共刺激因子(ICOS)和CTLA4的表達。B16黑色素瘤模型中，RagA缺乏會損害T_reg細胞在腫瘤中的增殖和積累，使腫瘤浸潤的CD8⁺T細胞隨著顆粒酶B水平的增加而擴張，增強抗腫瘤免疫。

腫瘤微環境中哪些細胞類型攝取氨基酸，以及轉運蛋白譜和拷貝數是否不同有待進一步研究。谷氨酸對T細胞的不同影響依賴于轉運體的表達。Gls1在許多癌癥中過表達，這可能會增加谷氨酸的水平。乳腺癌細胞、巨噬細胞和DCs分泌的谷氨酸經常滲入腫瘤。未成熟T細胞表達谷氨酸轉運體mGlu5R，抑制TCR介導的激活和增殖，而活化的T細胞表達另一種谷氨酸轉運體mGlu1R，通過MEK-ERK1/2抑制mGlu5R的抗增殖活性，促進增殖以及IL-2和IFN-γ的產生。這兩種轉運體的平衡決定谷氨酸是具有促進還是抗腫瘤作用。B細胞和DCs也表達谷氨酸受體，使其功能受到谷氨酸的調節。谷氨酸信號通過kainate受體，以增加激活B細胞產生的免疫球蛋白。未來的研究需要為腫瘤和免疫細胞之間對氨基酸的競爭提供直接證據，以及這如何最終調節癌癥的保護性免疫。

抗腫瘤免疫中的色氨酸和精氨酸。色氨酸代謝酶吲哚胺-2，3-雙加氧酶1（IDO-1）抑制劑可針對多種癌癥起作用。IDO-1將色氨酸分解代謝為犬尿氨酸，在癌細胞和激活的免疫細胞中其表達均增加。T細胞的增殖和激活需要色氨酸，利用IDO-1抑制劑針對癌細胞也可能通過限制色氨酸代謝抑制T細胞介導的免疫。因此，將IDO-1抑制劑特異性靶向癌細胞至關重要。腫瘤細胞中IDO的過表達也會損害T細胞的反應，可能是通過驅動癌細胞中的色氨酸降解和限制T細胞的色氨酸供應。犬尿氨酸的增加可調節T細胞反應，誘導細胞凋亡，降低TCR表達，并促進T_reg細胞分化。犬尿氨酸也會抑制NK細胞增殖和細胞因子的產生。

腫瘤相關的pDCs在腫瘤引流淋巴結中積累，并通過IDO引起抗原特異性T細胞失能。腫瘤相關DCs還消耗精氨酸，限制T細胞對它的利用，而DCs將亞精胺代謝為精氨酸進一步推動IDO的表達。這與T細胞中亞精胺的產生形成了鮮明的對比，從而增強了它們的抗腫瘤作用?？偟膩碚f，DCs的這些作用限制了T細胞的抗腫瘤免疫。MDSCs抑制CD8⁺T細胞功能是通過靶向胞內精氨酸而不是精氨酸的攝取。最近一項研究表明，MDSCs將甘氨酸衍生的代謝物甲基乙二醛轉移到CD8⁺T細胞，與精氨酸形成糖基化產物，從而消耗CD8⁺T細胞激活所需的胞內精氨酸。

精氨酸缺失也會阻礙IFN-γ的產生和人NK細胞增殖。表達精氨酸酶的腫瘤相關巨噬細胞(TAMS)與促腫瘤生長有關，而低精氨酸酶表達的TAMS通過促進巨噬細胞和NK細胞介導的抗腫瘤免疫而驅動腫瘤縮小。抑制免疫細胞直接靶向胞內精氨酸代謝和限制胞外精氨酸供應限制抗腫瘤T細胞免疫，表明免疫細胞如何通過腫瘤環境中的氨基酸代謝相互調節。

半胱氨酸在癌癥免疫治療中的調節作用。腫瘤細胞對鐵死亡特別敏感，腫瘤免疫治療中，CD8⁺T細胞激活腫瘤中的鐵死亡，驅動脂質過氧化和腫瘤細胞死亡。這些T細胞中的IFN-γ降低了腫瘤細胞的谷氨酸-胱氨酸逆向轉運系統X_C^-的成分Slc3a2 和 Slc7a11。這限制了腫瘤細胞攝取胱氨酸，減弱了它們拮抗鐵死亡的能力。胱氨酸和半胱氨酸耗竭結合檢查點阻斷協同增強T細胞抗腫瘤免疫。MDSCs可能通過限制半胱氨酸對T細胞的有效性來限制T細胞的激活，DCs也是如此。這種影響可能部分是由于GSH合成的限制和細胞外氧化還原狀態的改變。

靶向氨基酸代謝用于抗癌治療。癌細胞對氨基酸攝取和代謝的依賴意味著特定靶向相關細胞類型中的這些過程可能作為癌癥治療的手段。比如，優先被腫瘤微環境中的酶激活的谷氨酰胺拮抗劑的前藥形式，降低了體內MC38結腸腫瘤的糖酵解和OXPHOS，但在CD8⁺T腫瘤浸潤淋巴細胞（TILs）中促進了這些反應。TILS，而非MC38腫瘤細胞，能夠通過增加糖酵解代謝物進入TCA循環的通量來補償谷氨酰胺代謝的下降，這增強了抗腫瘤免疫。此外，調節精氨酸的供應也可以限制抗腫瘤T細胞的活性。

癌細胞和腫瘤相關免疫細胞上不同的轉運體表達可能有助于氨基酸代謝的特異性靶向。癌細胞上特定轉運體表達的增加被可用于針對這些細胞的藥物，也可能意味著腫瘤細胞對某些氨基酸的依賴增加。氨基酸轉運體也可以被操縱，特異性地將具有氨基酸片段或氨基酸樣結構的藥物傳遞給腫瘤細胞。

暴露于高氧化應激的癌癥使用氨基酸來產生抗氧化分子。具有核因子紅血球2相關因子(Nrf)2/Kelch樣ECH相關蛋白(Keap)1突變的肺腺癌高度依賴于外源性非必需氨基酸，缺乏天冬酰胺或絲氨酸和甘氨酸的飲食可減少Keap1突變型腫瘤的生長。這意味著飲食干預是潛在的抗癌策略。

小結

氨基酸在許多方面影響免疫細胞功能，而不僅僅是為蛋白質合成提供材料。它們在中樞能量代謝、氧化還原平衡、表觀遺傳修飾和PTMs中的作用使它們能夠通過多種機制調節免疫（圖5），從而為治療干預提供了多種靶點。氨基酸轉運體是很好的潛在藥物靶點，飲食干預也可能有類似的效果，這兩種策略都可能有利于治療癌癥和其他疾病。不同免疫細胞對氨基酸擾動的反應可能不同，這取決于它們是否表達轉運體和胞內代謝酶來處理這些氨基酸。不同組織和部位含有不同的氨基酸儲備。氨基酸也可以小肽的形式儲存，如谷胱甘肽，然后可以分解代謝釋放半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸，反過來可以代謝產生其他氨基酸?？傊邢蛎庖呒毎被岽x是增強或拮抗免疫反應的有效手段，增強對免疫細胞氨基酸代謝的認識可能具有很大的治療價值。

Figure 5. Amino Acids Support Immune Cell Function by Multiple Mechanisms

參考文獻

Kelly and Pearce, Amino Assets: How Amino Acids Support Immunity. Cell Metabolism (2020). https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.06.010.

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