T细胞免疫的“引擎故障”：线粒体功能障碍在癌症与复杂病理中的核心驱动作用

《European Journal of Immunology》：Broken Engines of Immunity: Mitochondrial Dysfunction in T Cells Across Cancer and Complex Pathologies

　　

线粒体传统上被视为负责能量生产的细胞“动力工厂”，然而它们也在广泛的细胞过程中发挥重要作用，包括大分子生物合成和细胞凋亡调控。越来越多的证据强调了线粒体在免疫调节中的重要性，特别是通过其对T细胞活化、增殖和效应功能的影响。除ATP生成外，线粒体还调控氧化还原（redox）和钙稳态，并产生可调节免疫细胞转录及表观遗传程序的代谢产物。在抗原识别后，T淋巴细胞经历显著代谢重编程，其特征为糖酵解增强，同时保留线粒体代谢作为关键通路。线粒体功能障碍破坏细胞内信号传导，并在多种病理背景下（包括癌症和慢性病毒感染）促进T细胞耗竭。因此，旨在恢复线粒体功能的策略正成为纠正由T细胞应答受损所驱动的免疫功能障碍的有前景的治疗方法。重要的是，这些改变不应仅被解释为慢性免疫刺激的下游后果；相反，线粒体功能障碍可主动决定T细胞命运、稳定耗竭相关程序，并界定功能障碍T细胞在治疗上可逆的程度。本综述首先概述线粒体结构、生物能量学、动力学和质量控制通路，然后考察这些过程在初始（na?ve）、效应、循环记忆、组织驻留记忆和耗竭T细胞状态中如何被重塑。随后，本综述整合来自癌症、慢性病毒感染和衰老的证据，并评估以线粒体为靶点的恢复T细胞功能的策略。

主体内容总结

1 引言

线粒体位于细胞代谢与免疫信号传导的交汇点，在T细胞生物学中占据核心地位，不仅是ATP的来源，更是将营养物质可用性与生物合成及基因调控相连接的细胞器。线粒体的氧化还原活性、钙处理能力及代谢中间产物的产生，均影响调控T细胞活化、存活和分化的转录及表观遗传程序。T细胞受体（TCR）和共刺激信号触发营养摄取迅速增加及广泛的代谢重编程，主要由mTOR和AMPK为中心的信号通路控制。活化的效应T细胞增加有氧糖酵解以支持快速增殖和细胞因子产生，但线粒体代谢对信号传导能力、生物合成反应及长效或调节性状态的建立仍然至关重要。线粒体形态和质量控制构成额外的调控层面：通过DRP1依赖性分裂、MFN1/MFN2和OPA1依赖性融合、PGC-1α驱动的生物合成以及受损细胞器的选择性清除，维持呼吸能力和代谢灵活性。当这些适应性机制受损时，线粒体可成为T细胞功能障碍的重要促成因素。在癌症和持续性病毒感染中，这些异常强化了与耗竭相关的转录和表观遗传程序，并可能限制功能障碍细胞对治疗性再激活的响应能力。线粒体适应性因此不仅是活化历史的读数，更能影响T细胞命运、持久性和功能可逆性。

2 线粒体：结构与功能

在T细胞中，线粒体区室协调能量产生与生物合成、氧化还原控制、钙信号传导和细胞死亡通路。丙酮酸、脂肪酸和氨基酸的氧化产生乙酰辅酶A（acetyl-CoA），进入线粒体基质中的三羧酸（TCA）循环。所产生的NADH和FADH₂为内膜中的电子传递链（ETC）提供电子，建立驱动氧化磷酸化（OXPHOS）ATP合成的质子梯度。TCA循环还为脂质、氨基酸和核苷酸合成提供中间产物，使线粒体能够同时支持生物量积累和ATP产生。线粒体代谢帮助维持NAD⁺/NADH和NADP⁺/NADPH平衡，并通过ETC电子传递产生受控量的活性氧（ROS）。在生理水平，ROS参与信号传导；当产生超过抗氧化能力时，则损伤蛋白质、脂质和核酸并损害细胞器功能。线粒体还通过摄取和释放钙来塑造细胞内Ca²⁺信号，从而将受体信号传导与代谢活动耦合。在严重应激下，线粒体外膜透化（MOMP）主要由促凋亡BCL-2家族蛋白BAX和BAK介导，释放细胞色素c及其他凋亡因子以启动内在凋亡。

2.1 基因组与线粒体结构

人类线粒体保留一个源自细菌的小型环状基因组，但其功能主要依赖核基因组。线粒体DNA（mtDNA）编码13个OXPHOS亚基、22个转运RNA和两个核糖体RNA，而超过99%的线粒体蛋白由核基因组编码并通过外膜和内膜转位酶复合物（TOM和TIM）导入。mtDNA组织为与内膜相关的类核（nucleoid），其维持受复制、修复、更新和线粒体来源ROS暴露的影响。mtDNA以每个细胞数十至数千拷贝存在，异质性（heteroplasmy）是线粒体遗传学的常见特征。当功能受损基因组比例超过组织特异性阈值时，呼吸能力可下降。线粒体结构对功能同样重要：外膜包含调节代谢物交换、细胞器通讯和凋亡信号传导的通道和蛋白质导入机制；内膜形成嵴（cristae），扩大ETC复合物和ATP合酶可用表面积；膜间隙含有参与蛋白质导入和凋亡的因子；基质容纳mtDNA、线粒体核糖体和TCA循环酶。嵴组织和膜完整性决定呼吸效率、代谢物交换以及线粒体支持快速变化细胞程序的能力。

2.2 线粒体动力学

通过协调的分裂和融合循环，线粒体网络的形状、丰度和细胞内分布持续重塑以适应细胞需求变化。分裂将线粒体分为子细胞器，促进再分布、损伤区域分离和细胞器更新，通常发生在内质网接触位点，衔接蛋白包括Fis1、Mff、MiD49和MiD51，招募胞质GTP酶动力相关蛋白1（DNM1L/DRP1）。DRP1寡聚化收缩线粒体膜，其活性通过磷酸化、SUMO化和泛素化等翻译后修饰调节。融合通过外膜和内膜的协调合并进行，允许膜组分、代谢物和线粒体基因组的混合。线粒体融合蛋白1（MFN1）和融合蛋白2（MFN2）介导外膜融合，而OPA1控制内膜融合并支持嵴组织。融合产生的相互连接网络可改善呼吸效率并实现线粒体区室间的功能互补。分裂与融合的平衡是功能性的而非纯粹形态学：片段化和融合网络在底物使用、呼吸组织和应激敏感性方面不同。这些过程与线粒体质量控制整合：受损或去极化线粒体通过PINK1–Parkin通路选择性清除（线粒体自噬，mitophagy），同时PGC-1α依赖性线粒体生物合成启动以补充网络。线粒体运输进一步将细胞器定位到局部能量和信号需求处。线粒体自噬、运输或分裂-融合控制失败导致功能障碍线粒体积聚，并与多种病理状态相关。

3 线粒体作为T细胞活化与功能的关键调节因子

线粒体通过释放促炎信号（包括ROS和作为损伤相关分子模式（DAMPs）的线粒体来源组分）作为炎症的关键调节因子，影响免疫活化特别是T淋巴细胞应答。线粒体应被视为能够引导免疫轨迹的活性信号平台，而非被动适应既有活化状态的细胞器。

3.1 T细胞分化状态与功能亚群

T细胞由表型和功能上不同的群体组成，通过抗原和背景依赖性分化产生。初始CD4⁺和CD8⁺ T细胞在次级淋巴器官中再循环，TCR参与、共刺激和细胞因子暴露后经历克隆扩增并获得效应功能。CD4⁺细胞分化为辅助性和调节性谱系，包括Th1、Th2、Th17、滤泡辅助T细胞和Treg细胞，而活化的CD8⁺ T细胞成为细胞毒性效应细胞。抗原清除后，多数效应细胞在收缩期死亡，部分作为具有增强回忆能力的记忆细胞持续存在。记忆本身具有异质性：中央记忆T细胞（T_CM）表达CCR7和CD62L等淋巴归巢受体并保留高增殖潜力；效应记忆T细胞（T_EM）在血液和外周组织循环并提供快速效应活性；组织驻留记忆T细胞（T_RM）通常以CD69和上皮部位CD103鉴定，驻留于组织内提供局部免疫监视。相比之下，癌症和慢性感染中的持续抗原暴露将分化导向祖细胞耗竭区室（T_pex）和终末耗竭区室。每种状态由不同的营养利用、线粒体结构、呼吸能力和氧化还原信号平衡支持。

3.2 T细胞的能量代谢

初始T淋巴细胞能量需求低，主要依赖OXPHOS。TCR识别抗原和CD28等共刺激受体参与后，T细胞活化并分化为效应亚群。CD28共刺激在代谢上具有指导性：CD28信号增加GLUT1表达和细胞表面转运，通过Akt依赖和非依赖途径增强葡萄糖摄取并维持糖酵解通量。活化T细胞转向有氧糖酵解（Warburg效应），增加葡萄糖摄取和分解，同时利用谷氨酰胺等氨基酸产生丙酮酸和乳酸。转录因子c-MYC和缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）通过调节糖酵解基因表达发挥核心作用，mTORC1是这一转录程序的关键上游调节因子。在CD4⁺ T细胞分化中，HIF-1α通过诱导IL-17A表达促进Th17谱系定向并抑制FOXP3和Treg分化。谷氨酰胺转化为谷氨酸和α-酮戊二酸支持TCA循环，并通过SLC7A5促进亮氨酸摄取激活mTORC1。天冬酰胺结合酪氨酸激酶LCK增强CD8⁺ T细胞活化和效应功能。活化T细胞增加葡萄糖和氨基酸转运体（GLUT1、SLC7A5、SLC1A5）表面表达。LDHA催化丙酮酸转化为乳酸并再生NAD⁺，其表达受mTOR、c-MYC和HIF-1α调控，产生的乳酸可通过组蛋白乳酸化修饰调节IFNG等效应基因表达。核苷酸代谢对T细胞活化不可或缺，活化T细胞需要增加嘌呤和嘧啶合成以支持增殖过程中的DNA复制和细胞因子及受体表达的RNA产生，磷酸戊糖通路（PPP）与糖酵解同样关键。抗原清除后，效应T细胞凋亡或分化为长期记忆T细胞。记忆T细胞主要依赖线粒体代谢和脂肪酸氧化满足能量需求，由AMPK调节。AMPK激活抑制耗能通路、抑制mTOR信号并减少IFN-γ等细胞因子产生，同时通过抑制GLUT1表达和增强FOXP3诱导促进Treg分化。

3.3 循环和组织驻留记忆T细胞的线粒体特化

循环记忆群体与组织驻留记忆细胞的分化伴随不同的线粒体需求。循环记忆群体（特别是T_CM）需要在淋巴器官、血液和外周组织间持续转运，要求维持代谢灵活性、充足备用呼吸能力以及在再刺激后迅速增加ATP产生的能力。CD8⁺记忆细胞中，线粒体融合和OPA1依赖性嵴组织促进高效电子传递链组装、氧化磷酸化和脂肪酸氧化，而效应细胞呈现更片段化的线粒体以支持糖酵解代谢。在效应T细胞中实验性强制融合可赋予记忆样代谢和功能特征。循环记忆CD8⁺ T细胞通过细胞内在脂质循环促进脂肪酸氧化：利用细胞外葡萄糖合成脂质，随后通过溶酶体酸性脂肪酶动员储存脂肪酸以驱动线粒体氧化。组织驻留记忆细胞面临永久组织驻留的独特限制，必须适应局部微环境的氧张力和底物组成。皮肤CD8⁺ T_RM细胞上调FABP4和FABP5表达，获取外源游离脂肪酸并使用线粒体β-氧化支持长期存活和保护功能，该通路丧失损害持久性。

3.4 T细胞中的线粒体功能：从代谢支持到线粒体功能障碍

OXPHOS在T细胞活化中仍至关重要，特别是对Treg和记忆T细胞等依赖线粒体呼吸维持长期能量需求的亚群。氧化磷酸化对Th17淋巴细胞同样必要，线粒体代谢调节BATF等参与Th17分化的转录因子激活。TCA循环不仅产生ATP所需的还原当量，还产生蛋白质和脂质生物合成及T细胞功能所需的关键代谢中间产物，如α-酮戊二酸和乙酰辅酶A。这些代谢物通过影响组蛋白甲基化和乙酰化在表观遗传调控中发挥核心作用。α-酮戊二酸水平升高可降低FOXP3表达从而限制Treg极化。Th17细胞中线粒体动力学同样关键：OPA1缺失损害TCA循环和Th17分化，LKB1作为能量应激传感器在响应线粒体功能障碍时抑制Th17效应活性。活化T细胞增加PPP通量以支持核苷酸合成，并诱导叶酸介导的一碳代谢通路，线粒体区室中的关键反应产生一碳单位用于含氮碱基合成，MTHFD2在此过程中发挥关键作用。线粒体是ROS的主要来源，生理水平ROS作为信号分子增强TCR活化和下游NF-κB、NFAT、AP-1信号通路，并影响CD4⁺ T细胞亚群谱系定向。过量ROS促进T细胞凋亡，在慢性炎症或癌症中，持续ROS过量产生诱导脂质、蛋白质和DNA氧化损伤，损害T细胞分化和功能。T细胞耗竭（T_ex）与线粒体功能障碍、线粒体动力学改变和ROS积累相关，表现为效应功能下降、增殖能力减弱以及PD-1、LAG-3、TIM-3等抑制性受体表达增加。耗竭状态由T-bet（TBX21）、BLIMP1、FOXO1、TOX、NFAT、NR4A和EOMES等转录因子调控的独特转录和表观遗传程序主导。耗竭过程中线粒体动力学显著改变：肿瘤浸润CD8⁺ T细胞中DRP1活性降低（Ser616磷酸化受损），阻断线粒体分裂导致过度融合但功能障碍的线粒体积聚，PD-1信号进一步抑制DRP1活性。PD-1信号还通过BLIMP1依赖性机制抑制PGC-1α，导致损伤线粒体积聚和过量ROS产生，促进氧化应激并损害TCR信号。恢复PGC-1α表达可逆转PD-1介导的代谢功能障碍并部分再激活耗竭T细胞。耗竭T细胞持续由祖细胞或前体耗竭T细胞（T_pre）补充，可通过TCF-1等记忆相关转录因子及Ly108和CD62L等表面标志物鉴定。线粒体功能障碍通过促进氧化应激干扰HIF-1α降解，驱动T_pre细胞向终末耗竭T细胞分化的转录和代谢重编程。CD4⁺ T细胞在慢性病毒感染和癌症中也可出现耗竭样表型。Th17细胞分化过程中从初始糖酵解依赖转变为线粒体OXPHOS依赖，高线粒体活性（超极化线粒体膜电位ΔΨ）的Th17细胞细胞因子产生减少，伴随PD-1和TIGIT等耗竭相关标志物表达。

4 T细胞耗竭和线粒体功能障碍的病理背景

线粒体功能障碍被认为是T细胞免疫应答受损的核心机制，在癌症、衰老和病毒感染等多种疾病中，能量产生缺陷、氧化还原稳态紊乱和过量ROS产生重塑T细胞活化和代谢程序。这些疾病的共同特征是线粒体损伤可作为免疫功能障碍的前馈驱动因素：一旦建立，可稳定耗竭或衰老相关表型并降低T细胞恢复有效效应或记忆应答的能力。

4.1 癌症中的线粒体功能障碍与T细胞耗竭

肿瘤中，微环境缺氧、营养竞争、抑制性代谢物和检查点信号共同强化共享的耗竭通路，限制线粒体更新并加速从祖细胞向终末耗竭状态进展。CD8⁺ T细胞长期暴露于肿瘤微环境（TME）与PGC-1α表达降低相关。缺氧条件下抑制PGC-1α活性通过增加ROS产生导致CD8⁺ T细胞耗竭，ROS积累抑制磷酸酶并激活NFAT，诱导耗竭相关基因表达程序。TME中活化CD8⁺ T细胞部分适应性地转向糖酵解和谷氨酰胺分解以维持抗肿瘤活性，但须与肿瘤细胞竞争葡萄糖和氧气等必需营养。肿瘤细胞限制丙酮酸可用性，降低CD8⁺ T细胞能量效率。PTPMT1等特定线粒体蛋白缺失损害丙酮酸氧化，降低代谢可塑性并加速TME中T细胞耗竭。乳酸积累及葡萄糖和脂肪酸可用性降低进一步限制CD8⁺ T细胞效应功能并促进耗竭表型建立。TME中Treg、肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）、髓系来源抑制细胞（MDSCs）和癌症相关成纤维细胞（CAFs）等免疫抑制细胞通过分泌抑制性细胞因子和趋化因子并诱导PD-1、CTLA-4、LAG-3、TIM-3等免疫检查点受体表达加剧T细胞功能障碍。线粒体转移通过隧道纳米管（TNTs）、细胞外囊泡或细胞间相互作用实现，TME中肿瘤细胞可劫持此过程以逃避免疫控制。初步临床发现提示肿瘤细胞向肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）的线粒体转移可调节其生物学状态，影响代谢谱并可能诱导细胞衰老。计算模型提示该交换可能是单向的，主要从免疫细胞向肿瘤细胞发生，加剧肿瘤代谢并损害T细胞功能。

4.2 衰老过程中的线粒体功能障碍

生理衰老过程中，免疫能力下降反映效应免疫细胞的内在缺陷和慢性低度炎症状态（“炎症衰老”，inflammageing）。线粒体功能障碍是衰老的标志性特征，表现为mtDNA突变、呼吸能力下降、膜电位降低和ROS产生增加。T淋巴细胞识别和反应抗原能力下降，归因于代谢通路改变和线粒体功能障碍导致的氧化应激升高。年龄相关疾病中，CD4⁺ T细胞中MRE11A（参与DNA修复的核酸酶）表达降低导致mtDNA稳定性受损、氧化应激升高和氧化磷酸化改变。mtDNA不稳定促进线粒体DNA释放至胞质，激活cGAS–STING等先天炎症通路，诱导I型干扰素和促炎细胞因子产生，并激活NLRP3炎症小体通过IL-1β和IL-18触发焦亡。线粒体来源DAMPs（mtDAMPs）进一步促进炎症衰老：心磷脂促进炎症小体组装，SMAC调节NF-κB活性并可促进Th17细胞向Th2表型重编程。NAD⁺/NADH比例失衡及CD38和PARP1活性驱动的NAD⁺耗竭损害线粒体功能。衰老细胞通过衰老相关分泌表型（SASP）释放的ROS、DAMPs和IL-6、IFN-γ等细胞因子进一步破坏线粒体动力学和功能，形成加速T细胞功能障碍的前馈循环。功能障碍线粒体积聚促进衰老相关T细胞（TAA）出现，参与慢性炎症、自身免疫、感染易感性和癌症进展。

4.3 慢性病毒性疾病中的线粒体功能障碍与T细胞耗竭

慢性病毒感染涉及密切相关的分化层级：持续抗原维持T_pex细胞，但当线粒体损伤、氧化应激和生物能量不足积累时逐渐促进终末耗竭。HIV感染中已记录显著的线粒体改变，影响CD4⁺和CD8⁺ T细胞及巨噬细胞的免疫细胞代谢。接受有效抗逆转录病毒治疗（ART）但未能实现完全免疫重建的免疫无应答者（INRs）中，CD4⁺淋巴细胞线粒体功能尤其受损，表现为持续活化和耗竭、细胞衰老特征、呼吸能力降低、OXPHOS改变和mtDNA损伤积累。HIV感染者中线粒体转录因子A（mtTFA）表达显著降低，恢复其表达可改善线粒体功能。HIV感染细胞中ATP产生增加，线粒体功能障碍与潜伏感染期间OXPHOS活性增强相关，促进pannexin-1通道上调和ATP释放至细胞外空间。细胞外ATP激活免疫细胞表达的嘌呤能P2X7受体，强化HIV感染的促炎环境。线粒体功能障碍促进ROS产生和氧化mtDNA释放，激活NLRP3炎症小体，导致CD4⁺ T细胞丢失、神经炎症和HIV相关神经认知障碍。严重SARS-CoV-2感染患者的淋巴细胞表现出显著线粒体改变，包括氧化磷酸化受损和氧化应激升高，导致T细胞活化、增殖和抗病毒应答缺陷。慢性乙型肝炎病毒（HBV）感染中，持续病毒持久性驱动进行性CD8⁺ T细胞功能障碍和效应能力丧失，该过程与线粒体功能恶化密切相关。