d-阿洛酮糖通过抑制己糖胺生物合成途径促进调节性T细胞分化并改善自身免疫性疾病和过敏性疾病

《The FASEB Journal》：d-Sorbose Promotes Regulatory T-Cell Differentiation and Ameliorates Autoimmune and Allergic Diseases via Hexosamine Biosynthetic Pathway Inhibition

　　

摘要

单糖是参与多种生物过程的基础生物分子。稀有糖是自然界中稀缺的单糖衍生物，具有独立于标准能量代谢的独特生理效应。其中，d-山梨糖作为d-果糖的C-3差向异构体，其生物学功能尚不清楚。本研究探讨了d-山梨糖的免疫代谢效应，重点关注调节性T细胞（Treg）分化和免疫调节。离体实验使用脾脏初始CD4⁺ T细胞，结果显示d-山梨糖显著增加Foxp3⁺ Treg频率，达到与d-甘露糖相当的水平，且未诱导d-甘露糖所观察到的CD8⁺ T细胞减少。在体内，持续给予d-山梨糖通过选择性增加区域淋巴结和炎症组织中的白细胞介素-10产生型Treg，改善了卵清蛋白诱导的气道炎症，并预防了非肥胖糖尿病小鼠的自身免疫性糖尿病。组织学分析显示，d-山梨糖处理组炎症细胞浸润减少，组织架构得以保留。代谢组学分析表明，d-山梨糖抑制糖酵解、磷酸戊糖途径和己糖胺生物合成途径（HBP），表现为UDP-GlcNAc水平降低，同时升高三羧酸循环中间体苹果酸。谷氨酰胺-果糖-6-磷酸氨基转移酶的药理学抑制，结合谷氨酰胺限制和GlcNAc挽救实验，证明d-山梨糖通过协调葡萄糖分配和谷氨酰胺分解的代谢重编程而非被动HBP抑制来促进Treg分化。值得注意的是，d-山梨糖处理不改变T细胞存活，并在长期给药期间显示出良好的安全性。这些发现将d-山梨糖鉴定为一种新型免疫调节糖，通过协调胞内葡萄糖和谷氨酰胺代谢促进功能性Treg分化，突显其作为控制炎症性和自身免疫性疾病的膳食或治疗制剂的潜力。

**论文解读：d-山梨糖通过代谢重编程促进调节性T细胞分化改善炎症与自身免疫性疾病**

调节性T细胞（Treg）是维持免疫耐受和抑制过度免疫应答的关键细胞亚群，其分化命运与细胞内能量代谢状态密切相关。效应T细胞（Teff）高度依赖有氧糖酵解和脂质合成支持其增殖与炎症因子产生，而Treg则偏好氧化磷酸化和脂肪酸氧化。已有研究表明，d-甘露糖可通过促进转化生长因子-β（TGF-β）活化诱导Treg分化并缓解自身免疫疾病症状，但伴随CD8+ T细胞减少的副作用。稀有糖作为天然稀缺的单糖衍生物，具有独特的生理效应，然而绝大多数稀有糖的免疫调控功能尚未被阐明。d-山梨糖作为d-果糖的C-3差向异构体，其生物学功能尤其是对淋巴细胞分化的影响知之甚少。本研究旨在阐明d-山梨糖对T细胞分化及T细胞介导疾病的影响，探索其作为免疫调节剂的潜在价值。

研究人员开展了一系列离体和体内实验。离体实验中，研究人员从小鼠脾脏分离初始CD4+ T细胞，在含TGF-β1和IL-2的极化培养体系中加入不同单糖，通过流式细胞术检测Treg分化频率。体内实验中，研究人员构建了卵清蛋白（OVA）诱导的过敏性气道炎症小鼠模型和NOD/ShiJcl自发性自身免疫糖尿病小鼠模型，通过饮水持续给予d-山梨糖，评估疾病进展、Treg诱导和组织病理改变。机制研究方面，研究人员采用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）定量分析胞内葡萄糖代谢中间产物，并结合药理学抑制剂和代谢物补充/剥夺实验阐明关键代谢通路。主要技术方法包括：磁珠分选（MACS）纯化初始CD4+ T细胞；流式细胞术分析Foxp3+ Treg频率和胞内细胞因子；代谢组学分析定量糖酵解、磷酸戊糖途径（PPP）、己糖胺生物合成途径（HBP）和三羧酸（TCA）循环的代谢中间物；组织学染色（H&E）和免疫组织化学检测组织炎症和Treg浸润；ELISA检测细胞因子和血清免疫球蛋白。小鼠品系包括C57BL/6J、BALB/c和NOD/ShiJcl，均购自日本Charles River、CLEA Japan等机构。

**研究结果**

**3.1 d-山梨糖离体促进Treg分化**
研究人员将脾脏初始CD4+ T细胞分别与d-葡萄糖、d-甘露糖、d-阿洛糖、d-阿洛酮糖、d-塔格糖和d-山梨糖共培养。流式细胞术分析显示，与d-葡萄糖组相比，d-山梨糖显著增加Foxp3+ Treg频率，且效果与已知Treg诱导糖d-甘露糖相当。但d-山梨糖未引起d-甘露糖所观察到的CD8+ T细胞频率下降。该结果表明d-山梨糖能直接促进Treg分化且不伴随CD8+ T细胞的减少。

**3.2 d-山梨糖通过诱导Treg改善OVA诱导的气道炎症**
在OVA诱导的过敏性气道炎症小鼠模型中，研究人员发现d-山梨糖以剂量依赖方式增加纵隔淋巴结中Treg频率，且肺组织Foxp3免疫组化染色显示Treg浸润增加。离体抑制实验表明，d-山梨糖诱导的Treg具有更强的抑制效应T细胞增殖的能力，并产生更高水平的IL-10。组织学分析显示d-山梨糖处理组炎症细胞浸润减少，肺组织结构得到保护。值得注意的是，使用抗CD25中和抗体清除Treg后，d-山梨糖的保护效应完全消失，证明其抗炎作用依赖于Treg的诱导。

**3.3 d-山梨糖通过促进胰岛Treg诱导预防自身免疫性糖尿病**
在NOD/ShiJcl小鼠模型中，对照组60%小鼠发生高血糖，而d-山梨糖处理组在整个实验期间血糖维持正常。组织学分析显示d-山梨糖处理组胰岛淋巴细胞浸润减少，胰岛结构完整。在疾病早期（17周龄），d-山梨糖处理组外周血和胰腺淋巴结中Treg频率和绝对数显著增加，且在胰岛内检测到Foxp3+ Treg浸润。d-山梨糖处理未改变常规CD4+ T细胞亚群频率，脾脏CD8+ T细胞IFN-γ产生呈下降趋势。

**3.4 d-山梨糖不改变Treg存活**
为排除Treg频率增加源于非Treg细胞死亡的选择性优势，研究人员比较了d-山梨糖和d-葡萄糖处理组不同T细胞亚群的细胞活力。结果显示各亚群和不同时间点均无显著差异，表明d-山梨糖诱导的Treg频率增加是源于新生分化而非细胞存活改变。

**3.5 d-山梨糖通过涉及葡萄糖和谷氨酰胺代谢的代谢重编程促进Treg分化**
LC-MS/MS代谢组学分析显示，d-山梨糖处理显著增加己糖-6-磷酸水平，同时降低磷酸烯醇式丙酮酸（糖酵解）、核糖-5-磷酸（PPP）和UDP-GlcNAc（HBP）水平，并升高TCA循环中间体苹果酸。药理学实验表明，抑制糖酵解关键酶PFKFB3或PPP限速酶G6PD不影响Treg频率，而抑制HBP限速酶GFAT（DON处理）显著增加Treg频率。GlcNAc补充以浓度依赖方式回复DON处理组的Treg频率，而谷氨酰胺剥夺则降低Treg分化，DON处理可回复这种降低效应。这些结果表明d-山梨糖并非单纯抑制HBP，而是通过协调葡萄糖分配和谷氨酰胺代谢的重编程促进Treg分化。

**讨论与结论**

本研究发现d-山梨糖是一种新型免疫调节糖，通过在体内外促进功能性Treg分化来抑制过敏性气道炎症和自身免疫性糖尿病。机制上，d-山梨糖改变了初始T细胞的葡萄糖分配，抑制糖酵解、PPP和HBP通量，并调节谷氨酰胺分解代谢，从而建立有利于Treg分化的胞内代谢环境。与d-甘露糖不同，d-山梨糖在增加Treg的同时不影响CD8+ T细胞频率，且不改变T细胞存活，长期给药未观察到明显毒性。研究结论指出，d-山梨糖具有作为膳食或治疗制剂控制炎症性和自身免疫性疾病的潜力。未来研究需进一步鉴定d-山梨糖直接抑制的代谢酶靶点及立体化学相互作用机制，并评估其在人类中的安全性与疗效。