英文标题：Nutrient-driven histone code determines exhausted CD8+ T cell fates
发表期刊：Science
影响因子：28.1
发表时间：2024年12月
研究机构：Salk Institute
涉及组学：单细胞测序、ChIP-seq、CUT&Tag等
摘要————
在癌症和慢性病毒感染中，耗竭T细胞（TEX）会经历代谢和表观遗传重塑，从而影响T细胞原本的功能和作用。然而，营养代谢对控制TEX分化的表观遗传修饰的影响仍不清楚。
本研究表明，TEX细胞通过下调乙酰辅酶A合成酶2（ACSS2），同时维持ATP-柠檬酸裂解酶（ACLY）的活性，从乙酸盐代谢转变为柠檬酸盐代谢。这种代谢转换增加了由组蛋白乙酰转移酶KAT2A-ACLY相互作用介导的、在TEX特征基因处的柠檬酸盐依赖性组蛋白乙酰化，同时减少了由p300-ACSS2复合物介导的、在效应T细胞和记忆T细胞基因上由乙酸盐依赖性介导的组蛋白乙酰化修饰。
细胞核内的ACSS2过表达或ACLY的抑制可阻止TEX分化并增强肿瘤特异性T细胞反应。这个提示了在细胞不同部位如细胞核或者细胞质中，代谢物所发挥的不同作用。
这些发现揭示了一种由营养物质决定的组蛋白密码，其调控CD8+T细胞的分化，对基于代谢和表观遗传的T细胞疗法具有重要意义。
1、TEFF和TEX细胞中ACSS2和ACLY的表达模式差异
作者首先通过对从人和小鼠的肿瘤或急性与慢性LCMV感染中分离得到的CD8+T细胞进行单细胞测序，发现了在TEFF和TEX细胞中ACSS2和ACLY的表达差异。在功能性TEFF细胞中ACSS2的表达水平较高，而在TEX细胞中，尤其是TEXterm亚群中，ACSS2的表达显著降低。
与ACSS2相反，ACLY在所有三种CD8+T细胞状态中的表达相对稳定，甚至在功能障碍的TEX/TEXterm细胞中表达水平略有提高。
通过WB分析进一步在蛋白水平上验证了这些基因表达模式，发现与功能性脾脏CD8+T细胞相比，功能障碍的肿瘤浸润性淋巴细胞（TILs）中ACSS2的蛋白表达降低。
在使用抗PD-1进行ICB治疗的小鼠（B16-OVA肿瘤模型）和人类肿瘤（鳞状细胞癌）中，ACSS2在对ICB响应最敏感的功能CD8+T细胞（TEXprog和活性细胞）中的表达选择性增加。
在LCMV感染模型中，与TEFF细胞相比，TEX细胞中的ACSS2表达降低，而ACLY表达在所有CD8+T细胞状态中保持稳定或在TEXterm细胞中略有增强。
为了进一步检验T细胞中TCR信号通路下游的关键作用因子，作者锁定到了一个能够影响T细胞激活或耗竭的转录因子NFAT。后续NFAT ChIP-seq结果表明，NFAT-AP-WT可以与Acss2结合但是NFAT-AP-Mut不能，而Acly可以同时与NFAT的WT和Mut结合。因此Acss2表达依赖于NFAT:AP-1相互作用，而Acly则不依赖。
这些发现表明，TEX细胞在肿瘤发展和慢性感染过程中通过下调ACSS2表达而维持ACLY表达，可能在调节T细胞的代谢和功能状态中起着关键作用。
2、ACSS2和ACLY在TEFF和TEX细胞分化以及抗肿瘤抗病毒免疫中的相反作用
使用CRISPR-Cas9/RNP敲除ACSS2和ACLY发现，这两个基因在TEFF和TEX细胞分化中扮演着相反的角色，并对CD8+T细胞的抗肿瘤和抗病毒免疫反应产生影响。
在肿瘤模型中，ACSS2的缺失导致P14+T细胞失去了抗肿瘤功能，而ACLY的缺失则有效抑制了肿瘤生长，表明ACLY对于维持TEX细胞的抗肿瘤活性至关重要。
在慢性LCMV感染模型中，与对照P14+T细胞相比，ACLY缺失的CD8+T细胞在第8天和第21天显示出更强的响应，而ACSS2缺失的细胞则在长期感染中表现出功能受损。
研究还观察到ACLY缺失的CD8+T细胞倾向于分化为TEXprog细胞，而ACSS2缺失的细胞则更容易分化为TEXterm细胞，这表明ACSS2和ACLY在TEX细胞分化中起着决定性作用。
在功能层面，ACLY缺失的T细胞表现出更高的多功能性，与对照细胞相比，产生更多的IFNγ和TNF细胞因子，而ACSS2缺失的T细胞则表现出功能上的耗竭。
这些结果揭示了ACSS2和ACLY在调节T细胞分化和维持抗肿瘤及抗病毒免疫反应中的对立功能，可能对开发新的免疫治疗策略具有重要意义。
3、ACSS2和ACLY决定TEFF和TEX细胞对乙酸和葡萄糖的选择性利用
通过同位素示踪实验发现，与TEFF细胞相比，TEX细胞更倾向于使用葡萄糖而非乙酸来合成乙酰辅酶A（acetyl-CoA）。
TEX细胞相与TEFF细胞相比，由乙酸途径生成乙酰辅酶A水平在TEX细胞中更低，而葡萄糖途径生成的乙酰辅酶A水平在TEX细胞中相对增加。作者推测这些代谢差异可能与T细胞的表观遗传调控和功能状态有关，尤其TEX细胞更倾向于利用葡萄糖而非乙酸。
这些发现揭示了T细胞在不同功能状态下可能通过调整其代谢途径来适应其能量和生物合成需求，进而影响其分化和功能。
4、ACSS2和ACLY分别调控TEFF和TEX细胞中乙酸和葡萄糖导向的组蛋白乙酰化
研究发现ACSS2和ACLY在TEFF和TEX细胞中对组蛋白乙酰化过程有着不同的调控作用，分别影响着乙酸和葡萄糖代谢路径。TEFF细胞更倾向于利用来自乙酸的乙酰-CoA进行组蛋白乙酰化，而TEX细胞则更多依赖于葡萄糖衍生的乙酰-CoA。
尽管TEX细胞中乙酰-CoA的总量较高，但与急性感染中的TEFF细胞相比，慢性感染的TEX细胞中H3K27Ac和H3K9Ac整体水平都出现降低。
这种差异性可能与TEX细胞在功能和表观遗传状态上的改变有关，特别是在维持核乙酰-CoA水平方面。通过CRISPR-Cas9/RNP技术敲除ACSS2和ACLY基因，研究进一步证实了这两种酶在维持TEXprog细胞的组蛋白乙酰化水平中的重要性。
这些发现强调了ACSS2和ACLY在调控T细胞分化和功能状态中的关键作用，以及它们在代谢途径选择性利用中的重要性。
5、位于细胞核中由乙酸来源的乙酰-CoA促进TEXprog细胞形成
细胞核中ACSS2过表达能够促进TEXprog细胞的形成，这可能与细胞核内乙酸来源的乙酰-CoA的增加有关，从而促进了组蛋白乙酰化。
在体外实验中，ACSS2的细胞核定位信号（NLS）突变体过表达的CD8+ T细胞显示出更高的TEXprog细胞比例并促进IFNγ及TNF的产生。这些结果揭示了细胞核乙酰-CoA在调控TEXprog细胞分化中的关键作用，为理解T细胞耗竭的代谢调控机制提供了新见解。
6、ACSS2与p300共定位，ACLY与KAT2A共定位
研究揭示了ACSS2和ACLY与特定的组蛋白乙酰转移酶（HATs）之间互作，其中ACSS2与p300共定位，而ACLY与KAT2A共定位。
通过CRISPR-Cas9/RNP技术敲除不同的HAT基因，研究发现p300和KAT2A的缺失影响了TEXprog和TEXterm细胞的形成，表明这些HATs在T细胞分化中扮演重要角色。
利用邻近连接分析（PLA）和CO-IP实验，作者证实了ACSS2与p300之间以及ACLY与KAT2A之间的相互作用。
这2对蛋白的互作对于调控特定基因位点的组蛋白乙酰化至关重要，进而影响TEX细胞的表观遗传状态和功能。
这些发现强调了代谢酶与表观遗传调控因子之间的联系，并为理解T细胞耗竭的代谢和表观遗传调控机制提供了新的视角。
7、ACSS2与p300以及ACLY与KAT2A分别调节组蛋白乙酰化
ACSS2和ACLY不仅在代谢途径中发挥作用，还与组蛋白乙酰转移酶p300和KAT2A互作，共同调节组蛋白的乙酰化水平。使用CUT&Tag技术，作者对TEXprog和TEXterm细胞中H3K27ac、H3K9ac和H4ac三种组蛋白乙酰化修饰进行了全基因组水平的检测，并发现这些乙酰化修饰在TEXprog和TEXterm细胞中的分布有明显的差异。
ACSS2和p300的协同作用主要调控TEXprog细胞特征基因如Tcf7和Bach2，而ACLY和KAT2A的协同作用则影响TEXterm细胞特征基因如Havcr2和IL10。
此外TEXterm细胞全基因组蛋白乙酰化水平低于TEXprog细胞。
在TEX细胞中，ACSS2的缺失导致TEXprog特征基因（如Tcf7、Il7R、Sell、Tnf和Id3）的乙酰化减少，而ACLY的缺失则导致TEXterm特征基因（如Il10、Runx3、Havcr2和Entpd1）的乙酰化增加，这表明ACSS2和ACLY在调控特定基因表达中起着相反的作用。
GSEA富集分析表明，ACSS2和ACLY的缺失影响了与T细胞激活和效应功能相关的基因表达，这些基因的表达变化与T细胞耗竭的Resistance有关。
ACSS2和ACLY通过影响特定转录因子结合位点的乙酰化，调控了TEX细胞的分化状态，这可能对T细胞的代谢和功能产生重要影响。
这些发现揭示了代谢酶与表观遗传调控之间的复杂相互作用，并为开发新的免疫治疗策略提供了潜在的靶点
8、位于细胞核的ACSS2促进了TEXprog细胞分化
研究表明，细胞核ACSS2的过表达能够促进TEXprog细胞的分化，这通过增加特定基因位点的组蛋白乙酰化水平来实现，从而促进了TEXprog相关基因的表达。
在肿瘤模型中，过表达细胞核ACSS2的T细胞显示出更高的TEXprog细胞比例并促进细胞因子产生，表明细胞核ACSS2在调节T细胞分化和功能中起着积极作用。
这些结果揭示了细胞核ACSS2在T细胞耗竭和重编程中的重要性，并可能为改善T细胞疗法提供新的策略。
9、细胞核ACSS2过表达和ACLY抑制与ICB协同增强抗肿瘤T细胞反应
研究发现，细胞核ACSS2的过表达以及ACLY的抑制可以与免疫检查点阻断（ICB）疗法协同作用，以增强抗肿瘤T细胞的反应。在肿瘤模型中，与对照组相比，细胞核ACSS2过表达的T细胞在形成TEXprog细胞和产生IFNγ+ TNF+细胞方面表现出增强，这表明核ACSS2在增强T细胞抗肿瘤活性中扮演重要角色。
此外，ACLY的抑制通过增加ACSS2的表达，也能促进TEXprog细胞的形成，并在体外耗竭培养中增强了抗肿瘤T细胞反应。
结合ICB治疗，细胞核ACSS2过表达和ACLY抑制在增强TILs积累和控制肿瘤生长方面表现出显著的协同效应，为提高当前ICB和CAR-T治疗的效力提供了新的治疗策略。
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