CD4⁺ T细胞能量代谢在神经系统自身免疫性疾病中的研究进展

Research Progress of CD4⁺ T Cell Energy Metabolism in Autoimmune Diseases of the Nervous System

摘要: CD4⁺ T细胞在机体免疫系统中具有重要作用，根据活化后的功能不同可分为辅助性T细胞(T helper cells, Th)和调节性T细胞(regulatory T cells, Treg)，Th包括Th1、Th2、Th9、Th17、Th22等亚群。CD4⁺ T细胞在发育、激活和介导免疫应答等过程中均会进行代谢重编程，以满足其对应的能量需求，CD4⁺ T细胞能量代谢异常会导致机体免疫功能紊乱，在自身免疫性疾病中发挥重要作用。本文主要对CD4⁺ T细胞亚群能量代谢异常与自身免疫性疾病相关研究进展进行综述。

Abstract: CD4⁺ T cells play an important role in the body’s immune system. According to different functions after activation, they can be divided into helper T cells (T helper cells, Th) and regulatory T cells (Treg). Th includes Th1, Th2 , Th9, Th17, Th22 and other subgroups. CD4⁺ T cells undergo metabolic reprogramming during development, activation, and mediating immune responses to meet their corresponding energy needs. Abnormal energy metabolism of CD4⁺ T cells can lead to immune dys-function and play an important role in autoimmune diseases. This article mainly reviews the re-search progress of abnormal energy metabolism of CD4⁺ T cell subsets and autoimmune diseases.

1. 引言

T细胞是数量最多、功能最复杂的一类淋巴细胞，按细胞表面分化抗原的不同，可分为CD4⁺ T细胞和CD8⁺ T细胞两大亚群；CD4⁺ T细胞是一群高度异质性细胞，根据其功能不同又可分为Th1、Th2、Th9、Th17、Th22和Treg等亚群 [1]。CD4⁺ T细胞发育、激活和介导免疫应答等过程均与特定的细胞能量代谢途径密切相关 [2]，CD4⁺ T细胞会根据所处组织环境调整其能量代谢需求，代谢产生的中间产物能通过表观遗传影响CD4⁺ T细胞的增殖与功能发挥；因此，CD4⁺ T细胞能量代谢异常会引起机体免疫功能紊乱，在自身免疫性疾病的发展中发挥关键作用。本文主要对CD4⁺ T细胞亚群能量代谢异常与自身免疫性疾病相关研究进展进行综述。

2. CD4⁺ T细胞及其亚群能量代谢特征

2.1. CD4⁺ T细胞能量代谢基本特征

细胞基本代谢途径主要有以下几种：糖酵解：在氧气不足条件下，将葡萄糖分解为乳酸产生ATP的过程。葡萄糖有氧氧化：葡萄糖在有氧条件下彻底氧化成水和二氧化碳，生产ATP的反应过程。有氧糖酵解：在氧气充足的情况下，细胞内绝大多数葡萄糖通过糖酵解代谢。戊糖磷酸途径：葡萄糖的一种代谢途径，不必经过糖酵解和三羧酸循环，可为细胞提供大量还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸以及核糖。脂肪酸氧化：将脂肪酸分解为乙酰辅酶A，进入三羧酸循环循环产生ATP的过程。氧化磷酸化：代谢底物在三羧酸循环中通过电子传递链氧化生成ATP。谷氨酰胺代谢：谷氨酰胺转化为谷氨酸，然后转化为α-酮戊二酸进入三羧酸循环产生ATP。

CD4⁺ T细胞在胸腺中成熟，之后迁移到外周，静息状态下的CD4⁺ T细胞主要依赖葡萄糖有氧氧化、脂肪酸氧化提供能量，维持免疫监视等功能。CD4⁺ T细胞激活需要双信号：CD4⁺ T细胞的受体接收到激活信号后，通过磷脂酰肌醇3-激酶信号通路(PI3K-AKT-mTOR)使CD4⁺ T细胞代谢重编程，细胞能量代谢从葡萄糖有氧氧化和脂肪酸氧化向有氧糖酵解和谷氨酰胺代谢转变 [3]；也有研究认为CD4⁺ T细胞活化时除有氧糖酵解明显增强外，线粒体内三羧酸循环与氧化磷酸化也较静息时增强 [4]。激活后的CD4⁺ T细胞脂质代谢主要为依赖外部脂质源(长链和短链脂肪酸)和内部脂质源(通过脂肪酸合成)进行膜构建，也有一部分通过三羧酸循环产生ATP和参与T细胞受体信号调节。CD4⁺ T细胞活化后分化成的Th1、Th2、Th9、Th17、Th22、Treg等亚群，根据其功能以及细胞所处的组织环境差异，每个细胞亚群采取不同的代谢途径；当细胞因营养物质不足等原因使细胞代谢途径受限时，细胞的免疫功能也会受到影响 [5]。谷氨酰胺在活化的CD4⁺ T细胞中的消耗增加，谷氨酰胺分解代谢的产物α-酮戊二酸是三羧酸循环的中间体，也是组蛋白去甲基化酶和DNA去甲基化酶的底物 [6]；因此，谷氨酰胺可能通过调节染色质可及性来影响CD4⁺ T细胞增值及细胞亚群分化。当谷氨酸缺乏时，CD4⁺ T细胞的活化减少，CD4⁺ T细胞增殖以及白细胞介素2(IL-2)和干扰素γ的产生受到抑制 [7]，细胞分化也受到影响；谷氨酸缺乏可以促进CD4⁺ T细胞分化为TH1细胞，抑制CD4⁺ T细胞分化为TH17细胞，对CD4⁺ T细胞分化为Treg细胞没有明显影响 [8]。亮氨酸是一种必需氨基酸，可刺激mTOR信号传导和CD4⁺ T细胞激活，亮氨酸缺乏会抑制mTORC1的活性，限制CD4⁺ T细胞活化和分化为Teff细胞和TH17细胞，不影响TH1和TH2细胞极化 [9]。饮食来源的脂质类型也会影响CD4⁺ T细胞分化，长链脂肪酸通过p38-MAPK途径促进肠道中Th1和Th17细胞的增殖，而短链脂肪酸通过抑制JNK1和p38途径促进肠道中Treg细胞的增殖 [10]。

有人认为，CD4⁺ T细胞相关细胞因子也参与细胞能量代谢，例如，可诱导T细胞共刺激分子可以激活mTORC1和mTORC2复合物，促进糖酵解、脂肪生成和滤泡辅助性T细胞反应；干扰素调节因子4可抑制糖酵解酶的转录阻遏物BCL6，促进糖酵解 [11]。

2.2. CD4⁺ T细胞亚群能量代谢基本特征

2.2.1. Th1细胞能量代谢基本特征

Th1细胞主要介导细胞免疫应答，协助细胞毒性T细胞和巨噬细胞杀灭细胞内的细菌、病毒等病原体。与静息状态下的CD4⁺ T细胞相比，TH1细胞中的糖酵解增加 [12]。葡萄糖转运蛋白1在小鼠CD4⁺ T细胞中表达过度会导致细胞葡萄糖摄取以及IL-2、干扰素γ分泌增加；葡萄糖转运蛋白1在小鼠CD4⁺ T细胞中表达过低会引起细胞葡萄糖摄取减少，抑制CD4⁺ T增值和向Th1细胞的分化 [13]。缺氧诱导因子1α可以促进细胞中的葡萄糖代谢，促进CD4⁺ T向TH1细胞分化 [14]。

2.2.2. Th2细胞能量代谢基本特征

Th2细胞主要介导对细胞外的微生物(如寄生虫)产生免疫反应，其分泌的细胞因子可以促进B细胞增殖、分化以及抗体的生成，发挥体液免疫的作用。糖酵解在分化的TH2细胞代谢途径中占比很高，但糖酵解在TH2细胞中的作用尚未研究清楚 [15]。在TH2细胞分化过程中，需要Ras同源基因家族成员RhoA来协调糖酵解，因为Ras同源基因家族成员RhoA的活性受到mTORC2的调节，所以mTORC2对TH2细胞的分化非常重要 [16]。

2.2.3. Th17细胞能量代谢基本特征

Th17是由CD4⁺ T细胞在IL6和IL23等细胞因子的刺激下分化而成的辅助性T细胞，主要分泌IL17、IL22等促炎症因子。与静息状态下的CD4⁺ T细胞相比，TH17细胞中的糖酵解增加 [12]。缺氧诱导因子1α可以促进细胞中的葡萄糖代谢，促进CD4⁺ T向TH17细胞分化 [14]。糖酵解产生的丙酮酸可以通过乳酸脱氢酶催化在细胞质中转化为乳酸，也可以通过丙酮酸脱氢酶在线粒体中转化为乙酰辅酶A。丙酮酸脱氢酶磷酸酶催化亚基2使丙酮酸脱氢酶去磷酸化，导致丙酮酸脱氢酶激活，而丙酮酸脱氢酶磷酸酶催化亚基1丙酮酸脱氢酶磷酸化，导致丙酮酸脱氢酶失活；TH17细胞中的一个重要转录因子ICER可以抑制丙酮酸脱氢酶磷酸酶催化亚基2，增加细胞内丙酮酸脱氢酶磷酸酶催化亚基1的水平，导致细胞内乳酸水平升高，抑制糖酵解 [17]。此外，ICER还可以通过促进谷氨酰胺酶的表达促进谷氨酰胺分解。脂肪酸的从头合成对Th17细胞的分化非常重要，乙酰辅酶A羧化酶1可以催化乙酰辅酶A转化为丙二酰辅酶A，阻止脂肪酸进入线粒体，促进脂肪酸链在细胞质中延长 [18]。使用药物抑制乙酰辅酶A羧化酶1可以阻断脂肪酸的从头合成，通过糖酵解和三羧酸循环干扰葡萄糖的代谢通量，抑制TH17细胞分化 [18]。

2.2.4. Treg细胞能量代谢基本特征

Treg细胞是一群对维持机体免疫耐受非常重要的免疫细胞，Foxp3是一种转录调控因子，对Treg细胞的发育和免疫功能非常重要。与Th1、Th2和Th17细胞相比，Treg细胞对糖酵解的依赖性较低，主要依赖氧化磷酸化产生能量 [19]。有体外研究表明，Foxp3可使CD4⁺ T细胞代谢重编程，表现为抑制糖酵解和增强氧化磷酸化 [20]。有体内研究表明，表达葡萄糖转运蛋白1的转基因小鼠表达Foxp3⁺的细胞比例高于野生型小鼠，过度糖酵解可导致Treg细胞稳定性降低 [21]。这些研究共同证明，不受限制的糖酵解会导致Treg细胞维持机体免疫耐受的功能降低。对人类Treg细胞的研究表明，糖酵解酶烯醇化酶-1与Foxp3启动子及其CNS2区域结合，并抑制包含外显子-2的剪接异构体的转录对Treg细胞发挥抑制功能很重要 [22]。此外，最近的研究已经证实，糖酵解还会增加Treg细胞的迁移 [23]。因此可以推测，Treg细胞可以精确计算并平衡细胞内葡萄糖的消耗，其中糖酵解增强会增加Treg细胞增殖或迁移，但会通过其增强氧化磷酸化来平衡，从而维持Treg细胞的稳定性和抑制功能。由于Treg细胞中的Toll样受体信号已被证明可促进PI3K/Akt信号传导，增加糖酵解和增殖，同时降低抑制功能 [21]。因此，可以认为Treg细胞的稳定性和功能受糖酵解的精确控制，但糖酵解与Foxp3表达相互作用的详细机制仍需进一步研究。目前Treg细胞代谢研究的热点是细胞外营养物质对氧化磷酸化的调节，由于糖酵解的上调可能会抑制对Treg细胞功能，因此一些研究开始关注脂肪酸在调节Treg细胞功能维持免疫耐受方面的作用。脂肪酸可以分解代谢产生乙酰辅酶A，乙酰辅酶A进入线粒体三羧酸循环以调节线粒体OXPHOS和其他功能，有利于Treg细胞发挥功能 [18]。但脂肪酸代谢对Foxp3表达和Treg细胞功能的影响仍需要进一步研究。

2.2.5. Treg细胞能量代谢基本特征

Th9与Th22是新发现的CD4⁺ T细胞亚群，其具体代谢过程与细胞功能的相关研究较少，因此，本综述将不作讨论。

3. CD4⁺ T细胞能量代谢与神经系统自身免疫性疾病

3.1. 多发性硬化症(Multiple Sclerosis, MS)

MS是一种自身免疫性疾病，其发病机制为髓鞘被错误地识别为外来物并受到适应性免疫系统的攻击。CD4⁺ T细胞是参与MS发病机制的主要T细胞亚群，MS患者的CD4⁺ T细胞代谢重编程表现为糖酵解的上调和氧化磷酸化的下调。一项肥胖与MS发病风险的研究表明，肥胖患者MS患病风险高，而且对一线治疗药物的反应较差 [24]。同时已有研究证明脂肪酸与胆固醇浓度在CD4⁺ T细胞的激活、分化和功能中发挥重要作用，肥胖患者的微环境条件易引起CD4⁺ T细胞自身免疫耐受的丧失 [25]。可以猜测肥胖患者MS患病风险高是由于肥胖患者体内脂肪酸与胆固醇浓度高引起CD4⁺ T细胞免疫耐受丧失导致的。而将肥胖与CD4⁺ T细胞免疫耐受丧失联系起来的桥梁是脂肪细胞合成与分泌的瘦素，瘦素可效应性T细胞增殖和促炎细胞因子分泌，抑制Treg细胞增殖 [26]。Gerriets等人则发现了瘦素会通过缺氧诱导因子-1a(HIF1a)促进CD4⁺ T细胞糖酵解代谢，促进CD4⁺ T细胞增殖以及向TH7细胞分化 [27]。瘦素与MS的联系也在实验性变态反应性脑脊髓炎(experimental allergical encepha-lomyelitis, EAE)模型中被证明，在EAE模型中，瘦素缺乏小鼠对MS的有诱导具有抗性，此时补充外源性瘦素可使瘦素缺乏小鼠逆转为MS易感性 [28]。而且无论是MS发作之前还是MS发作之后对小鼠使用抗瘦素治疗，均可疾病进展延缓，同时降低疾病复发风险 [29]。

Gerriets等人发现Th17细胞中高表达丙酮酸脱氢酶激酶1，丙酮酸脱氢酶激酶1可特异性抑制丙酮酸脱氢酶，从而抑制三羧酸循环，促进糖酵解，增强Th17细胞功能；使用二氯乙酸盐抑制丙酮酸脱氢酶激酶1可抑制Th17细胞糖酵解，并阻止疾病进展 [30]。同理，用2-脱氧-D-葡萄糖通过mTOR信号通路阻断糖酵解也会影响Th17功能以及EAE模型小鼠病程的进展 [31]。关于二甲双胍治疗EAE模型小鼠的研究发现，二甲双胍降低了Th17细胞百分比以及相关细胞因子的水平，增加了Treg细胞百分比以及相关细胞因子的水平，接受二甲双胍治疗的EAE模型小鼠出现延迟发病而且临床评分明显低于未接受二甲双胍治疗的EAE模型小鼠，这个过程可能是通过抑制mTOR及其下游靶标HIF-1α的活化来介导的 [32]。我认为，此研究证明了二甲双胍治疗对EAE模型小鼠具有保护作用，论证了通过能量代谢调节T亚型来治疗MS的可行性，为当下MS的治疗提供了新的研究方向。

mTOR途径对疾病的持续进展具有关键作用，胰岛素样生长因子是自身免疫中Th17细胞与Treg细胞平衡的关键调节因子，它可以通过激活AKT-mTOR信号通路促进T细胞向Th17分化，导致致病性Th17细胞在中枢神经系统中积累 [33]。而且AKT-mTOR途径的过度激活与Treg细胞增殖潜力降低相关 [34]；因此我认为通过抑制AKT-mTOR信号通路来增强Treg细胞的增殖能力，可以作为MS治疗的一个研究方向。一项关于醋酸格拉替雷(Glatiramer acetate, GA)治疗复发–缓解型MS的相关研究将20个接受 GA治疗复发–缓解型MS患者组与20个健康健康人分为2组，每6个月收集血液样本，分析GA治疗患者的CD4⁺ T细胞与健康人群的CD4⁺ T细胞线粒体活性与其抗氧化状态的关系，发现GA能够通过增加线粒体活性以及对氧化应激的反应来减少CD4⁺ T细胞的功能障碍 [35]。

各种能量代谢程序的协调对维持Treg细胞的稳定性、可塑性和组织特异性异质性具有重要意义 [36]，在Treg细胞激活时，糖酵解一方面可以为其增值与免疫应答提供燃料，另一方面可以通过糖酵解酶烯醇化酶-1控制含有外显子2的Foxp3剪接变体赋予Treg细胞更高的抑制能力，这对于机体建立和维持免疫自身耐受是非常重要的 [37]。有研究证明，MS患者的Treg细胞显示出糖酵解受损，这个糖酵解受损是可逆的，可以通过干扰素β-1a上调葡萄糖转运蛋白-1治疗来改善 [38]；因此我认为MS患者体内Treg未能表现出应有的抑制能力可能与糖酵解受损有关，而且上述研究证明这是可以通过调节细胞代谢来改善的。

3.2. 重症肌无力(Myasthenia Gravis, MG)

MG是一种自身抗体介导的获得性自身免疫性疾病，主要表现为神经肌肉接头传递障碍导致的肌肉收缩无力，最新的一些研究证实了免疫细胞的能量代谢异常参与了MG的发生与进展。相比于健康人群，MG患者外周血Treg细胞中的Foxp3的mRNA和蛋白表达均下降，且抑制对自身AChR产生免疫应答的T细胞的增殖的能力明显减弱 [39]。通过对MG患者外周血免疫细胞的葡萄糖代谢模式的研究发现，MG中免疫细胞的不同亚型表现出不同的葡萄糖代谢模式，除Th2外，Th1、Th17以及Treg等CD4⁺ T细胞中参与糖酵解的关键酶和HIF-1α表达水平均显著升高 [40]。而且MG患者外周血中Treg细胞Foxp3表达下调，Treg细胞数量显着降低，MG患者的临床症状与其体内Treg细胞水平呈负相关关系。针对Treg细胞线粒体自噬的相关研究发现，与对照组比较，MG组电镜下Treg细胞线粒体自噬明显减少，变形线粒体较多，线粒体膜电位下降，上诉研究表明MG患者Treg细胞维持机体免疫耐受功能降低与其线粒体自噬功能降低有关 [41]。上述研究证明，MG患者体内的Treg细胞通过下调Foxp3进行代谢重编程，导致Treg细胞群功能异常，引起MG患者的免疫功能障碍 [42]。

3.3. 其他神经系统自身免疫性疾病

除了MG和MS外，有学者发现吉兰–巴雷综合症的发生发展也与CD4⁺ T细胞能量代谢异常相关 [43]。但相关研究较少，本文不作详细讨论。

4. 结论与展望

综上所述，CD4⁺ T细胞能量代谢与其增殖、分化密切相关，自身免疫性疾病中往往伴有CD4⁺ T细胞能量代谢的异常，通过调控细胞能量代谢来纠正异常免疫反应为自身免疫性疾病的治疗提供了有希望的方法。但由于自身免疫疾病中CD4⁺ T细胞能量代谢与功能的联系尚未完全明确，仍需进一步研究。总之，调节免疫细胞代谢有望为自身免疫性疾病的治疗开辟一条全新的道路。

致谢

感谢导师以及导师组的老师们在我撰写这篇综述时给我的指导，在我书写及修改综述中不断向我提出具有建设性的意见及建议，给予了我非常大的帮助。

NOTES

^*通讯作者。