Nature | 细胞间的营养争夺战——谷氨酰胺驱动cDC1s抗肿瘤功能

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肿瘤的发生、生长及转移与肿瘤细胞所处的内外环境有着密切关系。肿瘤微环境 (tumor microenvironment, TME) 会发生营养和代谢物质的改变，影响了肿瘤—免疫相互作用。在TME下，免疫细胞表现出代谢的动态变化，这也是激活免疫细胞所必需的，以防止肿瘤细胞生长。然而，当免疫系统无法消除或控制肿瘤细胞的生长时，例如当TME内特定代谢物的积累导致免疫细胞功能受损，就会发生癌症进展¹。因此研究TME对肿瘤——免疫相互作用，对开发有效的癌症免疫疗法至关重要。

树突状细胞 (Dendritic cells, DCs) 是人类免疫细胞系统的司令官，号令主导免疫系统的各种功能。DCs的主要功能是呈递抗原，将交手过的癌细胞特征告诉辅助T细胞和B细胞，激活免疫反应抵抗肿瘤。在TME下，DCs或其前体可以被招募到TME中，DCs可以感知不同的分子信号，进一步决定它们的命运，可能包括细胞死亡、低效激活和成功成熟。成熟的DCs可以携带癌细胞抗原迁移到淋巴结中，激活T细胞反应，并招募T细胞进入TME，并产生免疫刺激性细胞因子，改变TME的条件²（图1）。

图 1 肿瘤中DCs的激活²

DCs属于单核吞噬细胞，可以进一步分化成传统树突状细胞cDCs，pDCs和LDCs。不同亚群具有不同的发育特征，用于启动不同类型的效应T细胞³。其中，传统I型树突状细胞 (type-1 conventional DCs, cDC1s) 可以将肿瘤相关抗原与细胞毒性CD8⁺ T细胞交叉呈递，从而促进抗肿瘤免疫。

已有研究表明，DCs的代谢与免疫功能密切相关，并且可能在TME中以多种方式发生失调。DCs与肿瘤细胞之间对有限资源的竞争可能导致营养物质供应不足，从而影响DCs激活和成熟所需的代谢途径。肿瘤细胞产生的免疫抑制代谢产物（腺苷、乳酸、神经节苷脂和IDO）可能导致DCs从抗肿瘤功能转变为促肿瘤功能⁴。但营养物质或代谢过程是否以及如何调控树突状细胞的功能和异质性，特别是在TME中，仍然在很大程度上是未知的。揭示TME中介导DC功能及功能障碍的机制，对于开发有效的癌症免疫疗法至关重要。

图 2 TME内DCs功能的代谢调节

2023年7月5日，美国圣犹达儿童研究医院迟洪波实验室在Nature期刊上发表了题为SLC38A2 and glutamine signalling in cDC1s dictate anti-tumour immunity的论文。研究发现，cDC1s和癌细胞争夺营养物质谷氨酰胺，如果癌细胞独占谷氨酰胺，它们就能够实现免疫逃逸。该研究揭示了FLCN-TFEB信号轴介导谷氨酰胺对cDC1s抗原呈递及其对CD8⁺ T细胞的激活作用。直接向肿瘤提供谷氨酰胺有助于启动免疫系统的抗癌活性，还能与免疫检查点阻断疗法发挥协同作用。

为了检查肿瘤微环境中的营养成分，研究者将肿瘤细胞间质液与正常血浆进行代谢组学分析，其中，谷氨酰胺的下降特别值得关注（图3a）。当在TME中添加谷氨酰胺时，肿瘤细胞的生长受到抑制（图3b-c），值得注意的是，当在免疫缺陷性小鼠肿瘤微环境中补充谷氨酰胺时，肿瘤生长并没有受到抑制（图3d），表明适应性免疫在抗肿瘤过程中的重要作用。

接下来，研究者进一步探究谷氨酰胺能否影响适应性免疫。在补充谷氨酰胺的小鼠中，肿瘤内CD8⁺ T细胞的数量增加显著，此外，CD8⁺ T细胞早期激活和细胞因子信号传导相关的基因表达活性增加，并且CD8⁺ T细胞内参与杀死靶细胞的细胞因子（例如IFNγ因子、TNF因子、GZMB酶等）表达增强，因此，谷氨酰胺补充提高了CD8⁺ T细胞的积累和效应功能（图3i-j）。

基于上述结果，研究者猜测谷氨酰胺是否直接影响CD8⁺ T细胞的抗肿瘤能力，将活化的CD8⁺ T细胞分别在缺失或添加谷氨酰胺的培养基中培养后转移到肿瘤小鼠中，并未影响T细胞的抗肿瘤作用，表明谷氨酰胺可能通过细胞外在效应影响T细胞抗肿瘤功能。此外，研究者还采用同样的方法验证并发现，谷氨酰胺能直接影响cDC1s细胞的抗肿瘤能力，表明谷氨酰胺和cDC1s细胞之间在抗肿瘤免疫方面存在相互作用（图3m）。

图 3 肿瘤细胞内补充谷氨酰胺可促进cDC1s介导的抗肿瘤免疫

然后，研究者希望探究相比于其他氨基酸，谷氨酰胺是如何影响cDC1s的功能。发现谷氨酰胺缺乏的cDC1s细胞会减少T细胞增殖（图4a-b），并抑制T细胞抗肿瘤细胞因子的表达，说明谷氨酰胺是DCs介导T细胞启动的必要和充分条件。

基于上述结果，研究者猜测肿瘤细胞和树突状细胞之间是否存在谷氨酰胺的争夺，从而影响树突状细胞的抗肿瘤能力。在谷氨酰胺的生理浓度下 (0.6mM) 共培养CD8⁺ T细胞和肿瘤细胞，发现T细胞的增殖能力变弱，特异性补充谷氨酰胺可以回补T细胞增殖缺陷（图4c-d）。为了直接测试肿瘤细胞是否在争夺谷氨酰胺方面优于树突状细胞，研究者共培养DC细胞和肿瘤细胞，在含有2 mM谷氨酰胺的培养基中，肿瘤细胞的加入诱导DC细胞的激活，而在生理浓度 (0.6 mM) 的谷氨酰胺存在下受损（图4e）。因此，肿瘤细胞在争夺谷氨酰胺方面胜过树突状细胞，影响其成熟和抗肿瘤功能。

为了进一步研究肿瘤细胞与免疫细胞如何争夺谷氨酰胺，研究者分析了与谷氨酰胺转运有关的溶质载体 (SLC) 家族成员在肿瘤细胞和各种免疫细胞中的表达。研究发现，SLC38A2在小鼠和人肿瘤细胞中均高表达（图4f）。

为了确定SLC38A2在肿瘤细胞中介导肿瘤—免疫相互作用的重要性，在SLC38A2缺陷型肿瘤细胞中，肿瘤细胞的生长受到了抑制，并且与此同时，CD8⁺ T细胞的数量增多，且抗肿瘤效应增强，并且在DC缺陷型的小鼠体内，这种现象又消失了，说明肿瘤细胞中SLC38A2缺乏以cDC1s依赖的方式抑制肿瘤生长（图4h-k）。同样的，在SLC38A2缺陷型的cDC1s中，肿瘤细胞的生长反而得到了增强，T细胞的增殖和效应能力都被减弱（图4l-o）。说明肿瘤细胞和树突状细胞都通过表达SLC38A2对谷氨酰胺进行竞争。

图 4 谷氨酰胺在肿瘤细胞和cDC1s之间的相互作用调节抗肿瘤免疫

进一步探究谷氨酰胺信号的下游途径，已有研究发现一些营养响应复合物介导氨基酸诱导的细胞内信号传导。研究者发现，FLCN-FNIP2相互作用在谷氨酰胺缺乏时减少，添加谷氨酰胺促进了FLCN-FNIP2复合物的形成（图5a-b）。说明谷氨酰胺可以调节FLCN-FNIP2复合物的组装。接下来，研究者进一步验证FLCN-FNIP2 复合物在抗肿瘤过程发挥的功能。当DCs中FLCN-FNIP2 complex缺陷时，T细胞增殖确实减少了，且抗肿瘤生长能力减弱（图5）。进一步证实谷氨酰胺需要FLCN-FNIP2 complex来促进cDC1s的功能，介导肿瘤生长的抑制。

图 5 谷氨酰胺通过FLCN促进cDC1s的启动效应和抗肿瘤免疫

那FLCN-FNIP2 complex又是如何影响下游信号，发挥抗肿瘤功能的呢？研究者通过高通量测序发现，FLCN缺陷型DCs内，TFEB的活性增强（图6a）。TFEB是营养和应激敏感转录因子，用于调节溶酶体生成和功能。并且在FLCN缺陷型DCs内，溶酶体功能增强，抗原降解增加（图6b-d）。为了在FLCN和TFEB之间建立功能联系，研究发现FLCN缺陷型DCs极大程度抑制了T细胞的增殖，而单独的TFEB缺陷并不影响T细胞的增殖，且TFEB和FLCN的共同缺陷基本上恢复了FLCN缺陷型小鼠在抗肿瘤生长方面的缺陷（图6）。进一步证实，FLCN-TFEB信号轴协调cDC1s功能以及DC介导的CD8+ T细胞在肿瘤微环境中的增殖和抗肿瘤功能。

图 6 TFEB的共缺失可恢复FLCN缺陷或谷氨酰胺缺失的cDC1s的启动效应

总的来说，研究者发现，癌细胞和免疫细胞之间存在着营养争夺战，肿瘤细胞和cDC1s通过氨基酸转运体SLC38A2竞争谷氨酰胺的摄取，以调控抗肿瘤免疫。在cDC1s内，谷氨酰胺信号促进FLCN-FNIP2 complex的组装，而形成的FLCN-FNIP2 complex抑制转录因子TFEB的表达，进而抑制溶酶体的生成和功能，促进cDC1s细胞对肿瘤抗原的呈递，最后激活T细胞的增殖和效应功能，发挥抗肿瘤功能。如果我们向肿瘤微环境补充足够的谷氨酰胺，树突状细胞会利用补充的谷氨酰胺激活下游途径，最后激活T细胞的抗癌免疫反应。反之，如果癌细胞使用了所有可用的谷氨酰胺，就会导致树突状细胞缺乏谷氨酰胺，从而导致抗肿瘤免疫功能受损。

图 7 cDC1s与肿瘤细胞间谷氨酰胺串扰

对于这项发现，迟洪波教授形象地解释道，T细胞是抗癌免疫的基石，但它们并不能自己独立完成这项工作。我们可以把树突状细胞比作司机，把T细胞比作汽车，如果没有司机，汽车自然不会动，而谷氨酰胺等营养物质就像驾照一样。

原文链接

https://www.nature.com/articles/

s41586-023-06299-8

参考文献

参考文献

[1] O’Sullivan, D., Sanin, D. E., Pearce, E. J. & Pearce, E. L. Metabolic interventions in the immune response to cancer. Nat. Rev. Immunol. 19, 324–335 (2019).

[2] Wculek, S. K. et al. Dendritic cells in cancer immunology and immunotherapy. Nat. Rev. Immunol. 20, 7–24 (2020).

[3] Eisenbarth, S.C. Dendritic cell subsets in T cell programming: location dictates function. Nat Rev Immunol 19, 89–103 (2019).

[4] Moller, S. H., Wang, L. & Ho, P. C. Metabolic programming in dendritic cells tailors immune responses and homeostasis. Cell. Mol. Immunol. 19, 370–383 (2022).

供稿 | 肖媛

审稿 | 谭佳鑫

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

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