德国维尔茨堡大学（Julius-Maximilians-Universitt Würzburg）的Martin Vaeth团队在《细胞—代谢》Cell Metabolism杂志发表了题为“The glucose transporter GLUT3 controls T helper 17 cell responses through glycolytic-epigenetic reprogramming”的研究论文。该研究揭示了GLUT3通过糖酵解-表观遗传重编程控制Th17细胞炎症细胞因子的表达及自身免疫反应的机制，并进一步阐释了GLUT3及其下游ATP-柠檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase，ACLY）介导的乙酰辅酶A合成是炎症性T细胞的"代谢检查点"，可以作为治疗炎症和自身免疫性疾病的潜在靶点。

    代谢重编程是活化T细胞的一个重要标志。从氧化磷酸化到有氧糖酵解的转换，为大分子的生物合成提供了能量和中间代谢物，从而支持克隆扩增和效应功能。糖酵解的重新编程能通过表观遗传重塑控制炎症基因的表达。研究人员发现，葡萄糖转运体GLUT3对自身免疫性结肠炎和脑脊髓炎模型中Th17细胞的效应功能至关重要。在分子水平上，结果表明GLUT3依赖性的葡萄糖摄取控制着一个代谢-转录回路，该回路调节着Th17细胞的致病性。代谢组、表观遗传学和转录组分析将GLUT3与线粒体葡萄糖氧化和ACLY依赖的乙酰CoA生成联系起来，这些是表观遗传学调节炎症基因表达的限速步骤。 

    首先，作者发现活化T细胞（尤其是Th1和Th17细胞）的细胞膜上GLUT3的表达明显上调，且GLUT3（slc2a3）的表达模式是由NFAT、IRF4、STAT3 和 HIF-1α 通过整合抗原、共刺激和细胞因子信号传导而共同决定的。进一步分析T细胞中GLUT3的功能后，作者发现GLUT3缺陷型Th1和Th17细胞的葡萄糖摄取能力异常，糖酵解通量降低，但Th1和Th17细胞的增殖未见异常。此外，GLUT3失活并不会抑制Th1细胞产生IFNγ的能力，但会导致正常或病理状态下Th17细胞中IL-17、IL-2和GM-CSF的表达几乎完全被阻滞。诱导GLUT3表达会促进Th17细胞合成IL-17和GM-CSF，且异位表达GLUT3能够增强Th17细胞的效应器（effector）功能。可见，GLUT3能够在体外和体内条件下促进Th17细胞的分化和效应器功能。

     接下来，作者利用T细胞介导的大脑和肠道感染模型探究了GLUT3在自身免疫反应中的作用。与对照相比，作者惊奇地发现T细胞特异性缺失GLUT3的小鼠完全没有表现出自身免疫性脑脊髓炎的症状，且淋巴细胞浸润到脊髓的程度减轻，中枢神经系统中炎性细胞因子的表达降低。GLUT3的T细胞特异性缺失能够通过减弱脑炎性Th17细胞的效应器功能而抑制小鼠自身免疫性疾病的发生。而在自身免疫性肠炎模型小鼠中，注射野生型致病性Th17细胞会导致小鼠肠炎的发生，而移植GLUT3缺陷型致病性Th17细胞后小鼠的自身免疫性肠炎的症状并不明显，且小肠和结肠中T细胞积累和IL-17的产生均显著降低。与之类似，病原感染条件下GLUT3缺陷会抑制IL-17表达及Th17细胞数量。因此，在自身免疫反应及病原感染状态下，GLUT3对Th17细胞的分化及效应器功能的维持不可或缺。

     通过上述实验明确了GLUT3对Th17细胞分化及效应器功能的关键调节作用后，作者接下来探究了该调控作用背后的分子作用机制。对正常T细胞和GLUT3缺陷型T细胞的转录组分析发现GLUT3对Th1和Th17细胞的调控程序存在显著差异，GLUT3缺陷型Th17细胞中富集了大量与免疫细胞激活有关的通路，提示GLUT3并未影响Th17细胞的活化，但一些编码趋化因子及其受体的基因在GLUT3缺陷型T细胞中表达失调。有趣的是，参与代谢过程的基因（如线粒体呼吸和氨基酸代谢等）在GLUT3缺陷型Th17细胞中表达明显下调，除糖酵解之外，GLUT3依赖性葡萄糖摄取还影响了其他一系列线粒体相关的功能（如氧化磷酸化、线粒体基因表达等）。

     随后，为了确定受损线粒体基因表达如何影响GLUT3缺陷型T细胞的代谢特征，作者对极性代谢物的变化进行了稳定同位素示踪。结果首先表明Th1和Th17细胞发生GLUT3缺陷后的代谢组改变存在显著不同，GLUT3缺陷型Th17细胞中乙酰辅酶A、苹果酸和延胡索酸等线粒体代谢物明显减少，其中乙酰辅酶A的降低最为剧烈，但GLUT3缺陷型Th1细胞中乙酰辅酶A仅略微减少。此外，代谢组富集分析还发现GLUT3 不仅支持糖分解性途径（如 Warburg效应、糖酵解和糖异生），还能维持线粒体的正常功能。Th17细胞比Th1细胞更依赖线粒体葡萄糖氧化，Th1细胞主要进行有氧糖酵解，而在Th17细胞中，GLUT3依赖性葡萄糖摄取不仅促进糖酵解，还能维持线粒体代谢稳定。

     为进一步阐明GLUT3缺陷状态下乙酰辅酶A降低的原因，作者检测了正常型和GLUT3缺陷型Th17细胞中的柠檬酸盐和乙酰辅酶A的水平。（1）作者发现LC / MS分析中乙酰辅酶A水平降低主要是由于细胞质基质中乙酰辅酶A降低而导致的。（2）添加外源性乙酸盐可挽救 GLUT3 缺陷型Th17 细胞的细胞因子生成受损，GLUT3缺陷型Th17细胞中细胞因子减少主要是由于ACLY介导的线粒体来源的柠檬酸合成乙酰辅酶A过程发生异常。（3）活化T细胞中ACLY和GLUT3受诱导后的蛋白表达模式遵循相似的动力学特征，表明葡萄糖摄取和ACLY依赖性乙酰辅酶A的产生在Th17细胞中受到共同的调节。GLUT3下游ACLY控制的胞质乙酰辅酶A的产生是（致病性）Th17细胞免疫反应的关键代谢检查点。（4）Th17细胞的许多效应分子，包括细胞因子和趋化因子，都以乙酰辅酶A依赖性方式受到GLUT3和ACLY的共同调控。

     胞质乙酰辅酶A是脂肪酸合成的底物，对蛋白质乙酰化（如组蛋白乙酰化）修饰也必不可少。因此，作者继续探究了脂肪酸从头合成或蛋白质乙酰化是否控制Th17细胞的细胞因子合成。首先，作者发现抑制脂类合成会阻滞Th17细胞分化过程中IL-17的合成，而抑制Acly活性会特异性抑制分化Th17细胞的再刺激过程中IL-17的合成。其次，GLUT3缺陷型Th17细胞中（组）蛋白乙酰化发生异常，且IL-17编码基因附近的乙酰化信号降低，表明GLUT3依赖性乙酰辅酶A合成能够以位点特异性方式控制表观遗传重塑。第三，不仅IL-17编码基因，GLUT3缺陷型Th17细胞中与其他细胞因子合成及线粒体稳态调节有关位点的乙酰化程度也呈现降低趋势。因此，GLUT3和ACLY参与了葡萄糖依赖性的乙酰化修饰调节，GLUT3依赖性乙酰辅酶A的生成是Th17细胞的表观遗传学重编程所必需的。

     最后，作者评估了通过抑制ACLY而降低乙酰辅酶A水平这一方式缓解自身免疫反应的可能性。竞争性抑制Th17细胞的ACLY活性能够强烈降低乙酰辅酶A的产量，并能在不影响Th17细胞增殖的情况下抑制组蛋白H3乙酰化，并抑制IL-17的产生。此外，in vivo条件下抑制ACLY活性会缓解小鼠的自身免疫反应，并抑制脑原性T细胞的效应器功能。抑制ACLY活性也能降低从受试者体内分离得到人T细胞分泌的IL-17、IL-2等细胞因子的量，表明GLUT3和ACLY依赖性乙酰辅酶A的合成是炎症性T细胞的"代谢检查点"，可以作为治疗炎症和自身免疫性疾病的潜在靶点。

     综上所述，本研究发现GLUT3在炎性T细胞中表达水平较高，并能控制Th17细胞的效应器功能。结合代谢组学、表观遗传学和转录组学分析手段，作者证明 GLUT3 对Th17细胞致炎性的调控是通过整合线粒体葡萄糖氧化和 ACLY 依赖性乙酰辅酶 A 生成，而影响组蛋白乙酰化及致炎相关基因的表达实现的。抑制GLUT3表达能够缓解Th17细胞介导的免疫反应，并保护小鼠免受自身免疫性结肠炎和脑脊髓炎的侵害。本研究提示了抑制乙酰辅酶A生成是未来治疗自身免疫疾病的一个潜在可行策略。

参考资料：

 Title: The glucose transporter GLUT3 controls T helper 17 cell responses through glycolytic-epigenetic reprogramming

 Author: Sophia M. Hochrein, Hao Wu, Miriam Eckstein, Laura Arrigoni, Josip S. Herman, Fabian Schumacher, Christian Gerecke, Mathias Rosenfeldt, Dominic Grün, Burkhard Kleuser, Georg Gasteiger, Wolfgang Kastenmüller, Bart Ghesquière, Jan Van den Bossche, E. Dale Abel, Martin Vaeth

Highlights

•GLUT3 controls the effector function of pathogenic Th17 cells

•Ablation of GLUT3 in T cells prevents Th17-cell-mediated autoimmunity

•GLUT3-dependent acetyl-CoA production controls the epigenetic program of T cells

•Pharmacological inhibition of acetyl-CoA generation ameliorates autoimmunity

  摘要Abstract: Metabolic reprogramming is a hallmark of activated T cells. The switch from oxidative phosphorylation to aerobic glycolysis provides energy and intermediary metabolites for the biosynthesis of macromolecules to support clonal expansion and effector function. Here, we show that glycolytic reprogramming additionally controls inflammatory gene expression via epigenetic remodeling. We found that the glucose transporter GLUT3 is essential for the effector functions of Th17 cells in models of autoimmune colitis and encephalomyelitis. At the molecular level, we show that GLUT3-dependent glucose uptake controls a metabolic-transcriptional circuit that regulates the pathogenicity of Th17 cells. Metabolomic, epigenetic, and transcriptomic analyses linked GLUT3 to mitochondrial glucose oxidation and ACLY-dependent acetyl-CoA generation as a rate-limiting step in the epigenetic regulation of inflammatory gene expression. Our findings are also important from a translational perspective because inhibiting GLUT3-dependent acetyl-CoA generation is a promising metabolic checkpoint to mitigate Th17-cell-mediated inflammatory diseases.

关键词：GLUT3；GLUT1；Th17 cells；immunometabolism；glycolysis；ACLY；

ATP-citrate lyase；acetyl-CoA；histone acetylation；glucose metabolism

DOI: https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.02.015 

Full text: https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(22)00087-0