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上回說到(腫瘤免疫分型深度剖析好文)，免疫細胞的腫瘤浸潤模式（三大型）是影響腫瘤生長以及免疫治療的關(guān)鍵；上上回呢是說到(繼鐵死亡后又一個高分炸裂熱點思路：代謝重編程)，腫瘤微環(huán)境的代謝機制一直都是腫瘤研究領(lǐng)域的熱點；基于小編寫的這兩篇文章都比較受大家的喜愛，因此接下來還將繼續(xù)發(fā)揮本編特色的“糅合”大法，再將這兩個熱點進行結(jié)合一下，解讀另一個最近很熱的新領(lǐng)域：免疫細胞的代謝研究。
話說腫瘤微環(huán)境的代謝機制一直都是熱點，這個可不是空話。吶，上個月剛在Frontiers in Genetics（IF:4.59）發(fā)表了一篇純生信的文章，篇名為“Glycolysis-Related Gene Expression Profiling Screen for Prognostic Risk Signature of Pancreatic Ductal
Adenocarcinoma”。這都2021下半年了，想必純生信的文章是很難發(fā)了，但是這篇純生信文章依然能見刊，就說明主編們也都認為腫瘤微環(huán)境的代謝研究很重要（敲黑板）。
圖1：
事實上，腫瘤微環(huán)境的代謝機制研究可大體分為兩種：一種是針對腫瘤細胞自身，著手于揭示腫瘤細胞相對于正常細胞所具有的特色代謝特點，從而進一步的使用抑制劑或者其它靶向藥物進行干預(yù)，從而達到治療腫瘤的目的；另一種呢，就是以腫瘤浸潤免疫細胞的代謝研究為主要內(nèi)容，聯(lián)合腫瘤細胞的代謝模式進行研究，這是因為腫瘤細胞的代謝往往會直接影響免疫細胞的代謝，而且傳統(tǒng)的實驗方法繞不開腫瘤細胞的代謝而只研究免疫細胞的代謝模式。
1.單細胞測序助力腫瘤微環(huán)境代謝研究
上文已經(jīng)說到傳統(tǒng)的實驗方法無法只針對腫瘤浸潤免疫細胞展開研究，那么時代在更新，科研在進步。遇到科研瓶頸，就得想辦法打破它，研究者都在等待著一個革命性技術(shù)的出現(xiàn)。于是那個熟悉的它又又又來了，就是單細胞測序技術(shù)！其實小編有時想繞開這個單細胞測序技術(shù)去寫點別的技術(shù)，但到最后發(fā)現(xiàn)這是不可能的，因為它真的徹底改變了當(dāng)代研究者的視角，尤其是如今的單細胞測序已經(jīng)發(fā)展成為可以進行多組學(xué)研究的利器。在這樣的大背景下，單細胞測序數(shù)據(jù)在近些年迅速增長，為進行挖掘腫瘤或者其它疾病模型的免疫細胞代謝模式提供資源。
就在小編剛接觸單細胞測序技術(shù)時，也就是2019年，就已經(jīng)有研究者利用已發(fā)表的單細胞測序數(shù)據(jù)解析腫瘤微環(huán)境的代謝模式，其研究成果發(fā)表在NATURE COMMUNICATIONS(IF:14.9)上,篇名為“Metabolic landscape of the tumor microenvironment at single cell resolution”。
圖2：
這篇純生信的文章，行文思路在如今看來已是相當(dāng)簡單，就是使用已經(jīng)發(fā)表的黑色素瘤和頭頸癌患者單細胞測序數(shù)據(jù)，基于KEGG的代謝通路，找出1566個和代謝相關(guān)的基因，利用去卷積的計算方法量化黑色素瘤和頭頸癌患者的腫瘤代謝模式。
然而這項研究主要是探索了腫瘤細胞的代謝模式，而沒有特別關(guān)注其中的免疫細胞，因此我們可以借用這種思路運用到腫瘤浸潤免疫細胞的代謝研究上。那么接下來，小編就帶著大家感受一下近些年很熱門的代謝方向，免疫細胞的代謝。
2.上帝視角—腫瘤浸潤T細胞的代謝研究
就像上文說到腫瘤微環(huán)境是一個復(fù)雜的整體，腫瘤微環(huán)境的代謝呢就像大鍋飯，蔬菜、肉、米線啥都有；此外，本是麻辣、五香樣樣俱全，但是就像有些人很霸道，自己喜歡吃超級辣，于是就放了很多辣椒，毫不考慮別人不吃辣。腫瘤細胞就好比這樣的村霸，為了適合自己的口味，不斷將代謝廢物釋放到腫瘤微環(huán)境，改變腫瘤微環(huán)境的代謝模式。作為腫瘤中含量最多的免疫細胞--T細胞，就需要承受腫瘤微環(huán)境的這些改變。那么，腫瘤細胞是否通過調(diào)控其微環(huán)境中的代謝產(chǎn)物來影響T細胞的表觀遺傳修飾（甲基化），進而影響T細胞的功能，促進腫瘤發(fā)生發(fā)展？如果是，那么其調(diào)控機制是怎樣的？
去年發(fā)表在NATURE(IF:49.9)一篇文章，就專門研究了腫瘤細胞的氨基酸代謝對T細胞功能的影響，篇名為“Cancer SLC43A2 alters T cell methionine metabolism and histone methylation”。
圖3：
做腫瘤研究的或多或少都有了解，腫瘤微環(huán)境中的浸潤性CD8+ T細胞通常表現(xiàn)為功能紊亂、具有獨特的表觀遺傳表現(xiàn)，這些都是影響抗腫瘤免疫治療的主要因素。有研究表明，腫瘤細胞通過調(diào)控其微環(huán)境的代謝影響T細胞的表觀遺傳修飾；還有研究人員提出，腫瘤內(nèi)部的致癌信號可能導(dǎo)致異常的腫瘤代謝；那么腫瘤細胞的氨基酸代謝變化是否會影響T細胞的表觀遺傳，進而影響其功能，目前仍是未知的。
這篇文章作者通過聯(lián)合探索腫瘤細胞和T細胞的代謝交互模式，在細胞水平、動物模型水平、臨床患者水平全面揭示了腫瘤細胞能夠與T細胞競爭甲硫氨酸。食不飽力不足，才美不外現(xiàn)。腫瘤細胞通過競爭消耗T細胞發(fā)揮功能所必要的營養(yǎng)物質(zhì)，影響T細胞的表觀遺傳修飾（甲基化）從而抑制T細胞的功能。這表明，通過抑制腫瘤細胞競爭甲硫氨酸或給予腫瘤患者足量甲硫氨酸等方式來促進T細胞組蛋白甲基化或許是潛在的抗腫瘤方案。
3.腫瘤浸潤免疫細胞代謝與治療靶點
吃大鍋飯碰到村霸就已經(jīng)很難受了，如果再需要排很長的隊才能吃到飯，那估計都是些剩菜剩飯了，腫瘤浸潤的T細胞正是這樣弱小無助的群體。
圖4：
隨著對腫瘤微環(huán)境研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)腫瘤微環(huán)境中除了腫瘤細胞自身可以通過進化逃過免疫系統(tǒng)的攻擊，許多其它免疫細胞(抑制性免疫細胞)還會見風(fēng)使舵，表達很多胞外酶，如IDO、CD73、ARG1等，耗盡營養(yǎng)物質(zhì)來助紂為虐。同時，腫瘤微環(huán)境中也會產(chǎn)生很多免疫抑制性的代謝物，如犬尿氨酸、腺苷等。因此，近些年不斷有調(diào)控腫瘤微環(huán)境的代謝基因被發(fā)現(xiàn)，基于這些代謝靶點的藥物在一些腫瘤模型中都表現(xiàn)出較好的抗腫瘤效應(yīng)。
其中研究比較成熟的就是CD36，去年發(fā)表在Nature Immunology(IF:25.6)的一項研究“CD36-mediated metabolic adaptation supports regulatory T cell survival and function in tumors”，作者發(fā)現(xiàn)CD36是Treg非常特異的靶點，CD36僅在腫瘤微環(huán)境的Treg高表達。敲除Treg的CD36不會引起自身免疫，但增強了抗腫瘤活性。CD36抗體在小鼠腫瘤模型中表現(xiàn)出抗腫瘤活性且與PD-1抗體有協(xié)同效應(yīng)。
圖5：
原來，與來自其他組織和循環(huán)系統(tǒng)中的Treg細胞相比，腫瘤內(nèi)的Treg細胞擁有更高的脂肪酸吸收能力，并且具有更高的脂質(zhì)含量和CD36表達。顯然，CD36只對腫瘤內(nèi)Treg細胞的積累和抑制活性有作用。此外，他們還指出，只有腫瘤內(nèi)的Treg細胞需要RECd36介導(dǎo)的調(diào)控來防止凋亡，因為只有在CD36缺陷的腫瘤內(nèi)Treg細胞中觀察到大量的caspase-3和annexin V染色。最后，他們發(fā)現(xiàn)CD36 PPAR-β信號調(diào)節(jié)代謝程序以支持TME中的Treg持久性。他們表明，靶向Treg細胞中的CD36可能會重新編程TME，使其朝向更多的免疫刺激條件，這可能在治療上補充PD-1阻斷的作用，以抵消腫瘤浸潤T細胞的功能衰竭。
今年，同樣針對這個CD36靶點，又發(fā)表了一篇immunity(IF:31.7)，篇名為“Uptake of oxidized lipids by the scavenger receptor CD36 promotes lipid peroxidation and dysfunction in CD8+ T cells in tumors”。好吧，說到這，大家也能感受到，這個熱點基本已經(jīng)非常燙手了。
圖6：
在這項研究中，研究者主要探討了CD8+ T細胞如何在脂代謝層面適應(yīng)腫瘤微環(huán)境，以及其代謝變化如何影響其腫瘤殺傷的免疫反應(yīng)。研究者發(fā)現(xiàn)，在腫瘤微環(huán)境，類脂含量增高，尤其氧化性磷脂；腫瘤浸潤CD8+ T細胞的胞內(nèi)脂質(zhì)含量上升。與此同時，功能失調(diào)的腫瘤浸潤CD8+ T細胞增高脂的膜受體CD36分子的表達。作者首次發(fā)現(xiàn)腫瘤浸潤CD8+ T細胞表面的CD36分子吸收氧化性低密度脂蛋白（OxLDL），激活脂質(zhì)過氧化（lipid peroxidation），從而抑制CD8+ T細胞的效應(yīng)功能。
上述講的都是腫瘤浸潤免疫細胞代謝研究的重要發(fā)現(xiàn)，截止到目前對于腫瘤微環(huán)境的免疫代謝研究主要還是針對腫瘤細胞展開，因此腫瘤浸潤免疫細胞的代謝研究勢必會成為未來腫瘤代謝研究的重要領(lǐng)域。此外，雖然腫瘤代謝研究的較多，但是對免疫細胞基本代謝功能的揭示和其它疾病模型的免疫細胞代謝機制的探索也有很多重要發(fā)現(xiàn)。下面小編就將介紹一些其它免疫細胞代謝研究中的重要成果，同樣有助于全面揭示免疫細胞的代謝模式。
4.Cell背靠背—T細胞代謝研究黃金時代的到來
2021年7月2日，Cell以背靠背形式發(fā)表了兩篇文章，分別就CD4+ T細胞的代謝對其分化的影響以及在自身免疫病中的功能機制展開研究，這兩篇文章的發(fā)表也宣告免疫細胞代謝研究新時代的到來。
圖7：
之前的研究表明，代謝重編程對于 T 細胞激活和分化至關(guān)重要，這是因為T細胞發(fā)揮功能需要激活很多代謝通路來提供能量和原材料。其中，多胺合成是 T 細胞活化和增殖的標志，但其功能意義尚未被研究清除。在哺乳動物細胞中，多胺包含腐胺、亞精胺和精胺。在多胺合成過程中，氨基酸鳥氨酸被限速酶鳥氨酸脫羧酶 (ODC) 轉(zhuǎn)化為腐胺。腐胺然后可以代謝為亞精胺，并最終代謝為精胺。
圖8：
在第一項研究中，作者發(fā)現(xiàn)多胺合成的缺陷會導(dǎo)致CD4+ T細胞分化成功能不同的亞群(Th1, Th2,Th17等)的能力發(fā)生巨大變化。該研究數(shù)據(jù)表明，多胺代謝在指導(dǎo)Th亞群規(guī)范中的重要性在于亞精胺作為合成賴氨酸的底物的作用。鳥氨酸脫羧酶(ODC),或負責(zé)賴氨酸合成的酶的缺失會導(dǎo)致顯著的表觀基因組變化，這些變化是由增強的組蛋白乙酰化驅(qū)動的。這些數(shù)據(jù)將多胺-賴氨酸軸置于 CD4+ T 細胞分化的核心位置。
細胞代謝調(diào)節(jié)正常以及多種疾病的細胞功能，近幾年許多研究都開始關(guān)注于多種環(huán)境下免疫細胞的代謝狀態(tài)。因為代謝網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模和復(fù)雜性，一個代謝的擾動可以造成層疊效應(yīng)并改變網(wǎng)絡(luò)中看似遠端的部分或者跨越傳統(tǒng)的通路定義，因此很難通過部分指標做到全面衡量細胞的代謝通路。鑒于目前存在大量測序數(shù)據(jù)，以及迅速發(fā)展的生物信息學(xué)分析手段，我們迫切需要開發(fā)相應(yīng)的計算工具使之能夠在特定背景下評估代謝反應(yīng)或酶，最終達到在系統(tǒng)的水平理解代謝及其在疾病中的失調(diào)。目前開發(fā)出的有一種計算工具--流量平衡分析（flux balance analysis，FBA），它將網(wǎng)絡(luò)拓撲和化學(xué)計量學(xué)的知識轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)對象，已經(jīng)用于代謝通量預(yù)測，還運用到細胞群的功能基因組分析中。單細胞測序技術(shù)的發(fā)展讓FBA研究單個細胞的代謝狀態(tài)成為可能。
圖9：
緊接著，在第二篇研究中作者就先通過單細胞測序技術(shù)和通量平衡分析，構(gòu)建了一種新型細胞代謝評估算法“Compass”，其可通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)對細胞代謝中特定反應(yīng)的通量進行打分，在單個細胞的分辨率下描繪出整個細胞的代謝網(wǎng)絡(luò)。
此外，作者利用“Compass”的分析，發(fā)現(xiàn)了多胺通路可能是Th17細胞功能的調(diào)節(jié)者。通過大量的實驗，作者驗證了“Compass”的分析。包括在Treg和Th17n細胞中抑制多胺通路中的關(guān)鍵酶ODC1和SAT1抑制多胺的代謝，發(fā)現(xiàn)其能進一步抑制Th17細胞的功能，限制Th17細胞轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組而傾向于類似Treg細胞的狀態(tài)；而這種抑制作用可以緩解實驗性變態(tài)反應(yīng)性腦脊髓炎(小鼠自身免疫病模型)。
5.小結(jié)
想必有一定代謝研究基礎(chǔ)的小伙伴，讀到這里已經(jīng)按捺不住內(nèi)心的激動，想躍躍欲試了。沒有代謝研究背景的也不要怕，為了方便大家梳理思路，下面小編就來總結(jié)一下。首先我們知道，腫瘤浸潤的免疫細胞功能狀態(tài)是控制腫瘤生長的關(guān)鍵因素。然而，免疫細胞的生存環(huán)境很重要，吃好喝好休息好，才能執(zhí)行較好的抗腫瘤功能。相應(yīng)的，腫瘤細胞為了逃避免疫系統(tǒng)的攻擊，會不斷削弱腫瘤微環(huán)境中的免疫細胞功能，其中最主要的方式之一就是消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì)，同時釋放代謝廢物。單細胞測序技術(shù)的發(fā)展使得我們可以研究腫瘤微環(huán)境中各種細胞的代謝模式，揭示腫瘤細胞和免疫細胞不同的代謝方式可以使我們可以通過扶持免疫細胞代謝途徑，干擾腫瘤細胞的代謝以達到治療腫瘤的目的。同時，對免疫細胞最基本的代謝模式的研究會有助于我們更好的支持腫瘤微環(huán)境免疫細胞中的代謝需求。此外，因為代謝產(chǎn)物的多樣性和復(fù)雜性，功能良好的生物信息學(xué)工具可以為我們提供較為明確的研究導(dǎo)向。基于對大量已有數(shù)據(jù)的挖掘，可以更好的揭示各種細胞的代謝規(guī)律。尤其是單細胞測序數(shù)據(jù)，可以使我們更加直接的針對免疫細胞的代謝模式進行研究。
最后，不得不提的是，基于10X單細胞測序平臺獲得的數(shù)據(jù)測序深度有限，很多重要的代謝基因往往沒有被檢測到或者表達量很低。同時，還有另一種單細胞測序平臺：smart-seq，基于這個平臺的單細胞數(shù)據(jù)每個細胞可以檢測出較多的基因，但是通量沒有10X高。因此，在數(shù)據(jù)量允許的情況下，宜同時結(jié)合這兩種單細胞測序平臺的數(shù)據(jù)進行挖掘；對只有10X單細測序數(shù)據(jù)的基本模型進行研究，宜探索比較重要的代謝通路模式。此外，不得不提的是單細胞測序除了轉(zhuǎn)錄組水平的數(shù)據(jù)，也有很多基于Sc-ATAC測得的表觀組學(xué)數(shù)據(jù)。細胞不同的代謝模式不只反應(yīng)在可調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄，還可以調(diào)控基因的修飾，如蛋氨酸代謝就會調(diào)控基因和蛋白的甲基化。綜上所述，對于各大疾病模型中免疫細胞代謝模式的數(shù)據(jù)挖掘，使用單細胞測序技術(shù)的數(shù)據(jù)可以更好的區(qū)分各種免疫細胞，同時為保證結(jié)果的可靠性，宜結(jié)合10X和smart-seq數(shù)據(jù)，如果能再聯(lián)合表觀組學(xué)的數(shù)據(jù)進行挖掘，就可以增加研究的廣度和深度。
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