引言

三羧酸循环（TCA cycle）是糖类、脂类、氨基酸三大营养物质氧化分解的共同途径，也是糖、脂肪、 氨基酸代谢联系的枢纽，为机体提供能量和生物合成的前体分子。苹果酸酶（哺乳动物细胞内存在ME1，ME2 和ME3三种异构体，其中ME1和ME2是主要形式）将TCA循环的中间产物苹果酸转化为丙酮酸并伴随NAD(P)H产生，是三羧酸循环的重要补充反应，使细胞在能量、还原当量和生物合成前体需求之间保持一定的平衡，因此，苹果酸酶代谢是细胞内代谢途径的重要交汇途径。

为了系统揭示苹果酸酶代谢的生理病理功能，中国医学科学院基础医学研究所杜文静教授课题组近年来一直聚焦于不同环境和条件下苹果酸代谢的功能和调控机制研究。该组研究人员在2021年发表于Nature Metabolism的研究发现苹果酸酶代谢产生的NADPH直接结合并抑制HDAC3的活性，从而调控了细胞的表观遗传状态，该研究揭示了NADPH代谢非依赖的新功能【1】。在2022年发表于Nature Metabolism的研究工作发现苹果酸酶ME2通过调控细胞内2-羟基戊二酸（2-HG）的生成，维持突变体p53的蛋白稳定性，从而促进肿瘤细胞生长，该研究发现了ME2在细胞内的一种新的催化活性【2】。在2023年发表于PNAS的研究工作发现ME2作为MYC转录上调的靶基因，通过介导谷氨酰胺代谢维持细胞内的氧化还原平衡，在T细胞淋巴瘤的发生发展中具有重要作用。同年，发表在Cell Reports的研究工作发现ME2通过αKG介导的cyclin D1的转录来促进细胞周期的进展，该研究揭示了αKG在调节细胞周期基因转录中的新功能【4】。此外，该课题组于2024年1月发表在Nature Communications的研究工作发现ME2 的一个新形式——细胞质形式 ME2fl， AKT1 的激活通过细胞质ME2（ME2fl）的磷酸化诱导代谢从线粒体代谢转向糖酵解，从而有利于增强细胞的糖酵解表型，该研究揭示了AKT1 介导的 ME2 亚细胞转位转换在肿瘤细胞适应生长刺激的代谢过程中发挥了意想不到的作用【5】。

2024年8月15日，杜文静教授课题组在Molecular cell杂志发表了题为Malic Enzyme 2 maintains metabolic state and anti-tumor immunity of CD8+ T cells（苹果酸酶2维持CD8+ T细胞的代谢稳态和抗肿瘤免疫能力）的研究论文。

在该研究工作中，研究人员首先构建了苹果酸酶2（ME2） T细胞条件性基因敲除小鼠（CD4-Cre;ME2fl/fl mice），发现与野生型小鼠 （ME2 WT）相比，T细胞中缺失ME2表达的小鼠（ME2 KO）具有较弱的肿瘤抑制能力。通过CD4+ / CD8+ T细胞清除实验和细胞过继实验发现，ME2主要调控CD8+ T细胞（而非CD4+ T细胞）的效应性功能和抗肿瘤免疫能力。代谢组学和代谢流分析发现，ME2缺失阻断了CD8+ T细胞的三羧酸（TCA）循环，导致了TCA中间代谢产物fumarate在细胞内的堆积。详细的分子机制研究发现，fumarate能够直接结合DAPK1，并通过与ATP竞争结合来抑制DAPK1的激酶活性，从而抑制了其下游的TSC2-mTORC1信号通路，导致CD8+ T 细胞的活化、效应功能和抗肿瘤作用也相应降低。当DAPK1或mTORC1被抑制时，ME2失去了对CD8+ T细胞抗肿瘤功能的影响。相反，过表达持续活化的DAPK1几乎完全恢复了ME2缺失的CD8+ T细胞的抗肿瘤能力。这些结果表明，DAPK1是ME2赋予CD8+ T细胞效应功能和抗肿瘤作用的关键下游靶点，ME2 通过fumarate调控的 DAPK1-TSC2-mTORC1 信号轴调节 CD8+ T 细胞功能。此外，与之前的研究一致，本研究也发现了fumarate抑制 CD8+ T 细胞的活化和抗肿瘤能力。然而，之前研究发现，fumarate对 T 细胞的抑制作用是通过可逆地抑制参与表观遗传信号转导的二氧酶【6】或通过蛋白质的琥珀酸化修饰实现的【7】。本研究发现fumarate是一种调节 CD8+ T 细胞中 DAPK1 活性的信号分子。fumarate直接与 DAPK1 的 ATP 口袋结合，并通过与 ATP 竞争来抑制 DAPK1 的活性。fumarate对 DAPK1 活性的抑制作用取决于fumarate/ATP 的比例，这表明fumarate可能作为 ATP 拮抗剂来调节 DAPK1 的活性。值得注意的是，先前的一项研究表明，DMF 通过琥珀酸化糖酵解代谢酶GAPDH抑制髓系和淋巴细胞的有氧糖酵解【8】。然而 ME2 的缺失对 CD8+ T 细胞的糖酵解通并没有影响，这表明 ME2缺失导致的fumarate积累不会影响糖酵解。因此，虽然fumarate对 T 细胞活化有类似的抑制作用，但其通过不同的机制发挥其功能，这很可能是条件依赖性的。例如，ME2 缺乏导致的fumarate积累水平可能不足以琥珀酸化 GAPDH 来抑制糖酵解，但它可以抑制 DAPK1 的活性，进而抑制 CD8+ T 细胞的活化。因此，该研究表明，DAPK1可能是fumarate的感受器，对细胞fumarate水平的变化更为敏感，从而控制CD8+ T细胞的命运。模式图（Credit: Molecular cell）综上所述，本研究发现了ME2 在 T 细胞中的作用，ME2 缺乏会导致fumarate在 CD8+ T 细胞中积累，进而通过抑制 DAPK1 来阻碍 mTORC1 信号传导，导致 CD8+ T 细胞的效应功能和抗肿瘤效果受损。值得注意的是，该课题组之前的研究表明，ME2的表达水平和酶活性在T细胞淋巴瘤中上调，对T细胞淋巴瘤的发生至关重要【3】，而本研究表明，ME2的生理功能是维持CD8+ T细胞新陈代谢所必需的。这些发现共同凸显了 ME2 在 T 细胞生理和病理过程中的重要性。

参考文献

1. Li, W., Kou, J., Qin, J., Li, L., Zhang, Z., Pan, Y., Xue, Y., and Du, W. (2021). NADPH levels affect cellular epigenetic state by inhibiting HDAC3-Ncor complex. Nat Metab 3, 75-89.2. Zhao, M., Yao, P., Mao, Y., Wu, J., Wang, W., Geng, C., Cheng, J., Du, W., and Jiang, P. (2022). Malic enzyme 2 maintains protein stability of mutant p53 through 2-hydroxyglutarate. Nat Metab 4, 225-238.3. Li, W., Kou, J., Zhang, Z., Li, H., Li, L., and Du, W. (2023). Cellular redox homeostasis maintained by malic enzyme 2 is essential for MYC-driven T cell lymphomagenesis. Proc Natl Acad Sci U S A 120, e2217869120.4. Yang, Y., Zhang, Z., Li, W., Si, Y., Li, L., and Du, W. (2023). alphaKG-driven RNA polymerase II transcription of cyclin D1 licenses malic enzyme 2 to promote cell-cycle progression. Cell Rep 42, 112770.5. Chen, T., Xie, S., Cheng, J., Zhao, Q., Wu, H., Jiang, P., and Du, W. (2024). AKT1 phosphorylation of cytoplasmic ME2 induces a metabolic switch to glycolysis for tumorigenesis. Nat Commun 15, 686.6. Zhai, X., Liu, K., Fang, H., Zhang, Q., Gao, X., Liu, F., Zhou, S., Wang, X., Niu, Y., Hong, Y., et al. (2021). Mitochondrial C1qbp promotes differentiation of effector CD8(+) T cells via metabolic-epigenetic reprogramming. Sci Adv 7, eabk0490.7. Cheng, J., Yan, J., Liu, Y., Shi, J., Wang, H., Zhou, H., Zhou, Y., Zhang, T., Zhao, L., Meng, X., et al. (2023). Cancer-cell-derived fumarate suppresses the anti-tumor capacity of CD8(+) T cells in the tumor microenvironment. Cell Metab 35, 961-978 e910.8. Kornberg, M.D., Bhargava, P., Kim, P.M., Putluri, V., Snowman, A.M., Putluri, N., Calabresi, P.A., and Snyder, S.H. (2018). Dimethyl fumarate targets GAPDH and aerobic glycolysis to modulate immunity. Science 360, 449-453.https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.07.021

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文章来源|“BioArt”

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