铁缺乏通过线粒体天门冬氨酸代谢障碍抑制CD8+T细胞功能的新机制

本研究揭示了铁缺乏通过破坏CD8+T细胞线粒体功能，导致天门冬氨酸代谢障碍和表观遗传修饰异常，进而抑制细胞增殖和免疫功能的关键机制。研究人员通过多组学分析和代谢示踪技术，发现补充外源性天门冬氨酸可显著恢复铁缺乏CD8+T细胞的增殖能力和效应功能，为理解铁缺乏相关免疫缺陷提供了新的治疗靶点。该成果发表于《Nature Communications》，对贫血患者的免疫治疗具有重要指导意义。

　　

铁是生命活动不可或缺的微量元素，全球有超过10亿人受到铁缺乏的影响。这种最常见的营养缺乏症不仅导致贫血，还会损害免疫功能，但其分子机制一直不甚明了。CD8⁺T细胞作为抗感染和抗肿瘤免疫的关键效应细胞，其活化后对铁的需求急剧增加，然而铁缺乏如何影响这些细胞的代谢和功能仍是一个悬而未决的重要科学问题。

来自英国牛津大学MRC转化免疫发现单元的研究团队在《Nature Communications》发表重要研究成果，通过整合转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析，结合稳定同位素示踪技术，系统阐明了铁缺乏对CD8⁺T细胞功能的调控机制。研究发现，铁缺乏并不显著影响CD8⁺T细胞活化的早期事件，如细胞体积增大和CD25上调，但会严重阻碍细胞增殖。这种增殖停滞并非由细胞死亡引起，而是与线粒体功能障碍、代谢异常和表观遗传改变密切相关。

研究采用的关键技术包括：多组学分析（RNA测序和定量蛋白质质谱）揭示铁缺乏引起的基因表达和蛋白表达变化；稳定同位素（¹³C₆-葡萄糖和¹³C₅-谷氨酰胺）示踪技术追踪代谢流；染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）分析组蛋白修饰；流式细胞术检测线粒体功能参数（膜电位和活性氧水平）；以及使用Samhd1基因敲除小鼠模型验证核苷酸代谢的作用。

转录组和蛋白质组筛查揭示铁缺乏诱导CD8⁺T细胞功能障碍的潜在节点
研究发现铁限制条件下CD8⁺T细胞增殖显著受抑，但细胞活力不受影响。铁缺乏导致铁摄取受体TFR1/CD71表达上调，而氨基酸转运蛋白CD98表达下降。多组学分析鉴定出193个差异表达基因和116个差异表达蛋白，其中7个与代谢相关的基因在mRNA和蛋白水平均发生显著变化。基因集富集分析显示p53通路被激活，其下游靶基因Cdkn1a（p21）表达上调，这可能是导致细胞周期阻滞的关键因素。

铁缺乏诱导的应答不同于缺氧或铁螯合
与铁螯合剂处理不同，生理性铁缺乏并未引起HIF1α稳定化，表明铁缺乏和铁螯合对细胞的调控机制存在本质差异。铁螯合剂处理4小时即可引起3523个基因表达改变，而生理性铁限制48小时仅影响193个基因，且铁螯合剂破坏了铁响应元件/铁调节蛋白（IRE/IRP）系统。

铁缺乏改变CD8⁺T细胞线粒体蛋白质组
线粒体蛋白对铁缺乏表现出特别敏感性，铁限制条件下线粒体质量增加，电子传递链（ETC）复合物I、III和IV等铁依赖性蛋白表达上调。然而，这种代偿性增加伴随着线粒体功能障碍，表现为膜电位降低和活性氧（mROS）水平升高，线粒体超氧化物歧化酶2（SOD2）表达上调。

铁缺乏损害CD8⁺T细胞线粒体功能
代谢示踪实验显示，铁缺乏并不影响糖酵解，但显著抑制三羧酸（TCA）循环中铁依赖性酶（ACO2和SDH）的活性，导致α-酮戊二酸（α-KG）和下游代谢物减少。NAD⁺/NADH比值升高，提示氧化代谢受损。有趣的是，尽管TCA循环受阻，天冬氨酸水平却反常升高。

铁缺乏改变H3K27甲基化状态
α-KG减少和铁可利用性降低共同抑制组蛋白去甲基化酶（KDM）活性，导致抑制性组蛋白标记H3K27me3积累。染色质免疫沉淀证实铁缺乏CD8⁺T细胞中H3K27me3在全基因组范围内增加，这可能影响细胞分化和效应功能。值得注意的是，补充二甲酰-α-KG未能挽救H3K27me3水平和细胞增殖，表明KDM功能的恢复需要同时满足铁、氧和α-KG的供应。

铁缺乏抑制天冬氨酸参与的核苷酸合成
尽管天冬氨酸水平升高，但其下游代谢物如AICAR（嘌呤合成中间体）和氨基甲酰天冬氨酸（嘧啶合成前体）却显著减少。这表明天冬氨酸虽然充足，但未能有效用于核苷酸合成。机制上，线粒体膜电位下降可能阻碍了天冬氨酸从线粒体向胞质的转运。

增加核苷酸可获得性使CD8⁺T细胞抵抗铁缺乏
Samhd1敲除（导致dNTP积累）的CD8⁺T细胞在铁缺乏条件下表现出更强的增殖能力，证实核苷酸可获得性是限制细胞增殖的关键因素。然而，这种基因干预未能完全挽救铁缺乏引起的功能障碍，提示还存在其他限制因素。

天冬氨酸补充挽救铁缺乏CD8⁺T细胞
外源性天冬氨酸（40mM）使铁缺乏CD8⁺T细胞的增殖能力提高4倍，经历3次以上分裂的细胞比例从7%增至56%。此外，天冬氨酸还改善了CD25、穿孔素和IFN-γ的表达，部分恢复了mTORC1活性和核苷酸合成，并降低了H3K27me3水平。转录组分析显示天冬氨酸主要抑制干扰素应答通路，这可能有助于解除其抗增殖效应。

这项研究系统阐明了铁缺乏损害CD8⁺T细胞功能的分子机制，提出了"线粒体代谢瓶颈"的新概念：铁缺乏导致线粒体功能障碍，造成天冬氨酸虽然产量增加但利用受阻的 paradoxical 状态。研究不仅深化了对铁代谢与免疫调控关系的理解，还为临床治疗铁缺乏相关免疫缺陷提供了新思路——靶向天冬氨酸代谢可能是一种有前景的治疗策略。特别是对于肿瘤微环境等局部铁缺乏区域，增强CD8⁺T细胞的天冬氨酸利用能力可能提高其抗肿瘤活性。该研究将基础代谢研究与临床免疫学紧密结合，为营养免疫学领域树立了重要里程碑。