Nat Cell Biol | 自噬调节线粒体不对称遗传并控制早期CD8⁺ T细胞命运|t细胞|丝氨酸|免疫性疾病|抗原|线粒体|自噬

撰文|一只鱼

高效的免疫应答依赖于不同免疫细胞间的协调配合，以及同类型细胞内部的多样性。 CD8 ⁺ T细胞经活化后可分化出具有异质性命运的子代细胞，初始T细胞的激活既能产生行使细胞毒效应功能的短寿效应细胞，也能生成具有自我更新能力、在抗原再次刺激时可分化的长寿记忆细胞，但这些决定何时发生以及长寿记忆T细胞如何形成仍不清楚。

近日，来自英国牛津大学的 Anna Katharina Simon 研究团队在 Nature Cell Biology 上发表题为 Autophagy-regulated mitochondrial inheritance controls early CD8 + T cell fate commitment 的文章，发现自噬调控着CD8 ⁺ T细胞中线粒体的不对称遗传模式，自噬缺陷的T细胞无法清除有丝分裂前的老旧线粒体，导致其对称遗传。具有自噬功能且能不对称分配线粒体的 T 细胞产生的子代细胞呈现不同的命运：保留老旧线粒体的细胞记忆潜能降低，而未遗传老旧线粒体且线粒体周转率更高的细胞则寿命更长，并在同源抗原刺激下表现出强大的扩增能力。这种早期命运分化是由差异化的代谢程序驱动的，其中保留老旧线粒体的细胞激活了一碳代谢。

由于 CD8 ⁺ T细胞的不对称分裂导致细胞内容物的不均等遗传，最终造成子代细胞间转录组的差异，研究人员首先以CD8表达水平作为效应样（CD8 hi ）和记忆样（CD8 lo ）子代细胞的替代标志物，对初次分裂的CD8 ⁺ T细胞进行全局蛋白质组分析，鉴定出超过6,000种蛋白质，发现多个蛋白质在两类细胞群体中存在富集差异，其中许多蛋白质参与代谢、线粒体功能及生物合成过程。由于线粒体在T细胞命运中的重要作用，他们将研究焦点集中于线粒体，并发现效应样（CD8 hi ）子代细胞继承了更多产生活性氧（线粒体超氧化物指标）的线粒体，产生活性氧的线粒体是自噬的靶标，他们验证了自噬缺失会完全消除这种不对称遗传。蛋白质组学比较分析进一步发现自噬缺陷及衰老小鼠CD8 ⁺ T细胞中差异遗传的蛋白质数量减少，且与线粒体功能相关的蛋白质在差异遗传内容物中占比降低。因此，自噬不仅对维持细胞稳态至关重要，还在建立不对称遗传模式中发挥关键作用。

接下来他们利用 MitoSnap 系统来精准区分“老旧”（分裂前已存在）与“新生”（分裂后合成）线粒体，将线粒体外膜蛋白25（OMP25）与SnapTag融合表达的基因敲入小鼠与 R26-Ert2 Cre 系杂交，从而在他莫昔芬处理后诱导SnapTag表达， SnapTag能共价结合带有不同荧光基团的细胞渗透性底物，实现对线粒体的顺序标记。对首次分裂子代CD8 ⁺ T细胞进行流式细胞术分析鉴定出两个主要群体：一个同时遗传了分裂前老旧（ MitoSnap hi ）和分裂后新生（ MitoSnap lo ）的线粒体，另一个则呈现SnapTag lo 信号。并且发现老旧线粒体呈现不对称分配，优先分离至CD8 hi 子代细胞中，而自噬缺失会导致新旧线粒体均被滞留，消除这种不对称分配。因此，自噬是在不对称分裂过程中将细胞器质量控制与细胞命运决定因子的不对称遗传相耦合的关键机制。接下来他们比较了首次CD8 ⁺ T细胞分裂后MitoSnap hi 与MitoSnap lo 细胞的命运轨迹，发现原本为MitoSnap hi 的野生型细胞会转变为MitoSnap lo ，而大多数自噬缺陷的CD8 ⁺ T细胞则维持其MitoSnap hi 标记。用巴弗洛霉素A （BafA）抑制自噬，发现标记衰减速度减缓，而使用 CCCP 诱导线粒体自噬时， MitoSnap hi 与MitoSnap lo 两类初代子细胞均快速丢失新生线粒体标记。因此， MitoSnap lo 细胞的出现同时依赖于分配不均与降解事件，而自噬在这两种机制中均发挥作用。为了研究老化线粒体的遗传是否影响体内CD8 ⁺ T细胞的命运，他们构建了OT-I CD45.1 MitoSnap小鼠，其CD8 ⁺ T细胞表达特异性识别OVA 257–264 SIINFEKL肽段的转基因TCR，从而能在宿主体内实现特异性激活与追踪。通过过继转移初始OT-I MitoSnap细胞，随后用表达OVA的李斯特菌感染，证实老旧线粒体的异质性遗传同样发生在体内：记忆前体细胞中MitoSnap lo 细胞更常见，而MitoSnap hi 细胞则呈现更高的颗粒酶B表达，且 MitoSnap lo 细胞的子代持续表现出更强的存活能力与再扩增潜能，产生IFN-γ和TNF的量也显著高于MitoSnap hi 细胞，提示线粒体的不对称遗传为CD8 ⁺ T细胞的早期命运分化提供了机制基础。

为评估遗传不同线粒体池的功能后果，他们在无T细胞活化条件下用IL-2、IL-7和IL-15培养MitoSnap hi 与MitoSnap lo 细胞，发现 MitoSnap hi 细胞比MitoSnap lo 细胞增殖更快更均一，慢分裂细胞频率更低，印证了其静息程度较低的状态可能促使细胞过早死亡。自噬缺陷细胞无论线粒体遗传类型如何增殖均较慢，提示自噬在细胞周期调控中的作用。在细胞因子限制条件下（符合效应样群体的预期），自噬正常的MitoSnap hi 细胞存活率降低，而MitoSnap lo 细胞则富集CD44 ⁺ CD62L ⁺ 记忆样细胞。因此，线粒体的遗传模式调控 T 细胞命运分化。蛋白质组与转录组分析表明，线粒体的不对称遗传产生了分化的代谢与转录程序，将更高的线粒体周转率与增强的记忆潜能相耦联。在转录组分析中，他们还发现一个富集一碳代谢相关基因的细胞簇，该簇主要由MitoSnap hi 细胞构成，且相较于MitoSnap lo 细胞，MitoSnap hi 群体的一碳代谢特征更强。由于丝氨酸和甘氨酸是驱动一碳代谢的主要氨基酸，他们将分选的MitoSnap hi 与MitoSnap lo 细胞置于丝氨酸/甘氨酸缺失条件下培养3天，观察到两个亚群均出现表型转变，效应样CD44 ⁺ CD25 ⁺ CD8 ⁺ T细胞子代比例降低，丝氨酸/甘氨酸限制还提高了MitoSnap hi CD8 ⁺ T细胞的体外存活率。靶向代谢组学分析结合¹³C-葡萄糖和¹³C-丝氨酸的流量分析结果显示，因分配不均和线粒体周转率较低而保留分裂前老旧线粒体的细胞，其丝氨酸丰度更高；同时观察到来源于葡萄糖或丝氨酸的¹³C碳单元向这些氨基酸的流量存在轻微但显著的升高。因此，异质性线粒体池的遗传驱动T细胞命运分化，并且这是由满足代谢需求的差异化策略导致的：MitoSnap lo 细胞更静息、线粒体周转更快；而MitoSnap hi 细胞保留老旧线粒体、依赖糖酵解并启动一碳代谢。

总的来说，这项研究揭示了自噬调控CD 8 + T细胞线粒体的遗传模式和细胞命运决定，深化了人们对于分裂早期T细胞多样性如何被调控的理解，并为开发调节T细胞功能的策略提供了理论支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41556-025-01835-2

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