谷氨酰胺合成酶缺失通过增强CD8+T细胞存活和应激抵抗能力改善肿瘤免疫治疗

《The Journal of Immunology》：Glutamine synthetase deficiency enhances CD8 T cell survival and stress resilience in the tumor microenvironment

本研究针对实体肿瘤微环境中T细胞功能受限的难题，聚焦谷氨酰胺代谢调控机制。研究人员通过CRISPR筛选发现靶向谷氨酰胺合成酶可显著提升CD8+T细胞在肿瘤微环境中的存活优势。实验证实GS缺失通过增加细胞内谷氨酸水平，增强线粒体呼吸功能和抗氧化能力，促进干细胞样TCF-1+T细胞形成，最终显著提升多种原位肿瘤模型的治疗效果。该研究为改善细胞免疫疗法提供了新靶点。

　　

在癌症治疗领域，细胞免疫疗法虽然为血液系统恶性肿瘤患者带来了革命性的突破，但在实体肿瘤治疗中却始终难以取得理想效果。这主要是由于肿瘤微环境会营造一个极其恶劣的生存环境，其中营养竞争、缺氧、免疫抑制信号以及代谢重编程等因素共同导致T细胞耗竭和功能障碍。在众多代谢障碍中，谷氨酰胺代谢的调控尤为关键，这种氨基酸在核苷酸合成、糖基化、线粒体代谢和氧化还原平衡等多种代谢途径中扮演着不可或缺的角色。

多年来，研究人员一直试图通过靶向谷氨酰胺代谢来改善肿瘤治疗效果。广谱谷氨酰胺拮抗剂DON虽然显示出抗肿瘤活性，但由于其同时抑制多种谷氨酰胺代谢酶，导致了严重的毒副作用，这使得临床应用受到限制。有趣的是，研究发现DON的抗肿瘤效果部分源于其对免疫系统的增强作用，这表明精准靶向特定的谷氨酰胺代谢酶可能能够在保留抗肿瘤效果的同时降低毒性。

在这项发表于《The Journal of Immunology》的研究中，Emilie L Fisher-Gupta等研究人员深入探究了这一问题。他们试图找出能够特异性增强CD8⁺T细胞在肿瘤微环境中功能的谷氨酰胺代谢酶，并测试是否可以通过更精准的抑制策略复制DON的效果同时减少毒副作用。

研究人员首先通过体内CRISPR筛选技术，在肿瘤微环境中系统评估了32个谷氨酰胺转运和代谢相关基因对CD8⁺T细胞生存的影响。令人惊讶的是，大多数谷氨酰胺代谢酶的缺失会损害T细胞功能，但谷氨酰胺合成酶缺失的T细胞却在肿瘤微环境中表现出明显的生存优势。这一发现促使研究团队进一步探索GS调控T细胞功能的分子机制。

通过遗传学和药理学手段抑制GS功能，研究人员发现缺乏GS的CD8⁺T细胞细胞内谷氨酸水平显著升高，这进而增强了线粒体呼吸功能和对活性氧的抵抗能力。更重要的是，这些细胞在肿瘤微环境中表现出更好的存活率，更高比例的TCF-1⁺干细胞样T细胞，以及更强的抗肿瘤和记忆功能。在多种原位肿瘤模型中，GS抑制剂MSO治疗显著降低了肿瘤负荷，且这一效果依赖于适应性免疫系统。

关键技术方法包括：利用CRISPR-Cas9系统进行体内基因筛选；通过条件性基因敲除小鼠模型研究GS在T细胞中的特异性功能；采用代谢组学分析细胞内代谢物变化；使用海马分析系统评估线粒体功能；通过流式细胞术检测细胞表型和功能；建立多种原位肿瘤模型评估治疗效果。

GS缺失增强CD8⁺T细胞在肿瘤微环境中的适应性

研究人员通过体内CRISPR筛选发现，在肿瘤微环境中，GS缺失的CD8⁺T细胞相较于其他谷氨酰胺代谢酶缺失的细胞表现出明显的生存优势。这一发现在多种肿瘤模型中得到验证，包括皮下MC38-Ova肿瘤模型和原位HKP1-Ova肺癌模型。在混合细胞过继转移实验中，GS缺失细胞的比例在肿瘤微环境中显著增加，而在非肿瘤环境中则无此优势，表明GS缺失带来的生存优势具有肿瘤微环境特异性。

GS缺失对CD8⁺T细胞基础特性无显著影响

通过构建T细胞特异性GS敲除小鼠，研究人员发现GS缺失在稳态条件下不会引起明显的T细胞发育或功能异常。胸腺细胞数量、脾细胞组成、CD4:CD8比值以及细胞活化增殖能力在GS敲除小鼠和野生型小鼠之间无显著差异。然而，GS缺失的CD8⁺T细胞表现出线粒体含量增加和膜电位降低的趋势，这提示其代谢特征可能更倾向于记忆样表型。

GS抑制改变CD8⁺T细胞功能特性

使用GS抑制剂MSO进行处理后，野生型CD8⁺T细胞表现出增殖能力下降，但细胞因子产生能力增强。MSO处理显著增加了IFNγ和TNFα双阳性细胞的比例，表明GS抑制可增强CD8⁺T细胞的效应功能。与GS敲除细胞类似，MSO处理的细胞也表现出线粒体含量增加和膜电位降低的趋势，进一步支持GS调控在T细胞代谢重编程中的作用。

GS调控T细胞代谢和线粒体功能

代谢组学分析显示，GS缺失或抑制导致CD8⁺T细胞内谷氨酸水平显著升高，同时天冬氨酸也出现积累。值得注意的是，尽管GS缺失，细胞内谷氨酰胺水平仍得以维持，提示存在代偿机制。功能上，GS缺失细胞表现出基础呼吸和最大呼吸能力均增强，线粒体备用呼吸容量增加，表明其氧化代谢能力得到提升。

GS缺失增强抗氧化应激能力

谷氨酸是合成谷胱甘肽的关键前体，而谷胱甘肽是细胞内重要的抗氧化剂。研究发现GS缺失的CD8⁺T细胞具有更高的还原型谷胱甘肽水平，GSH:GSSG比值增加，表明细胞处于较低的氧化应激状态。功能上，这些细胞对过氧化氢诱导的氧化应激具有更强的抵抗能力，且这一保护效应可被外源性谷胱甘肽所模拟。

GS缺失促进记忆样T细胞形成

转录组分析显示，GS缺失的CD8⁺T细胞中DNA修复通路和造血干细胞长期维持相关基因集显著富集。具体表现为tcf7和slamf6表达上调，而tox、lag3和havcr2表达下降，这种特征与 precursor exhausted T cells的表型一致。在体内实验中，GS缺失细胞在急性感染和肿瘤再攻击模型中均表现出更强的记忆形成和回忆反应能力。

GS抑制增强抗肿瘤免疫

在多种原位肿瘤模型中，GS抑制剂MSO治疗显著降低了肿瘤负荷，且这一效果依赖于适应性免疫系统。肿瘤浸润CD8⁺T细胞比例增加，细胞因子产生能力增强，同时TCF-1⁺细胞比例上升而TOX⁺细胞比例下降，表明T细胞向更少耗竭的表型转变。

本研究系统阐明了GS在调控CD8⁺T细胞抗肿瘤免疫功能中的关键作用。研究人员发现，通过遗传或药理学手段抑制GS，可以重塑T细胞代谢特征，增强其线粒体功能和抗氧化能力，从而促进干细胞样记忆T细胞的形成，最终提高抗肿瘤免疫应答效果。

这一发现具有重要的理论意义和临床价值。首先，研究揭示了谷氨酰胺代谢调控在T细胞功能决定中的精细平衡，表明不同代谢酶的特异性抑制可能产生截然不同的免疫调节效果。与靶向谷氨酰胺酶的策略相比，GS抑制更倾向于促进T细胞向持久记忆表型分化，而非单纯的效应功能增强。

其次，研究为改善实体肿瘤免疫治疗提供了新的靶点策略。GS抑制能够在多种肿瘤模型中显著增强CD8⁺T细胞的浸润和功能，同时促进TCF-1⁺ precursor exhausted T细胞的形成，这类细胞具有更强的增殖潜力和持久性，是有效抗肿瘤免疫应答的关键。

最重要的是，这一策略可能具有更好的安全性。与广谱谷氨酰胺拮抗剂DON相比，特异性靶向GS可能能够在保留抗肿瘤效果的同时降低全身毒性，为临床转化提供了更可行的途径。

研究的创新性在于首次系统阐明了GS在T细胞抗肿瘤功能中的特异性作用，并揭示了其通过调控谷氨酸代谢、线粒体功能和氧化应激抵抗等多重机制增强T细胞适应性。这些发现不仅深化了对免疫代谢调控的理解，也为开发新一代肿瘤免疫治疗策略提供了重要理论基础和实验依据。