许琛琦/宋保亮团队揭示肿瘤内T细胞胆固醇缺陷机制和功能重要性

生命科学

Life science

2023年5月26日，国科大杭州高等研究院和中国科学院分子细胞卓越中心许琛琦团队联合武汉大学生命科学学院宋保亮院士团队在Cell Press细胞出版社期刊Cancer Cell上发表了题为“Exhaustion-associated cholesterol deficiency dampens the cytotoxic arm of antitumor immunity”的研究成果。该研究通过对人和小鼠肿瘤的分析，发现肿瘤浸润的T细胞有明显的胆固醇缺陷，其原因是肿瘤微环境中富集的氧化型胆固醇改变了SREBP2及LXR活性导致胆固醇不足。胆固醇缺陷导致关键代谢和信号通路的异常从而引发T细胞失能，其中一个标志性表型是自噬引发的细胞凋亡。该研究还发现CD8+杀伤性T细胞较CD4+辅助性T细胞更加依赖胆固醇，因此胆固醇缺陷对T细胞杀伤性免疫抑制更大。该研究还在实体瘤的CAR-T细胞治疗中测试了T细胞胆固醇正常化策略，展示了LXRβ敲除策略的应用前景。该研究系统性研究了肿瘤微环境中T淋巴细胞的胆固醇代谢状态，为进一步通过靶向胆固醇代谢治疗肿瘤提供了理论基础（图1）。国科大杭州高等研究院博士后闫成松，中国科学院分子细胞卓越中心博士研究生郑霖，博士研究生姜书谭，博士研究生杨皓晨，博士后郭俊为该论文共同第一作者。

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图1 肿瘤微环境中的氧化型胆固醇引发肿瘤浸润T细胞发生胆固醇缺陷，进而引发T细胞失能

肿瘤微环境中的各种免疫细胞可以显著影响肿瘤的发生与发展。肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）可以识别并杀伤肿瘤细胞，而髓系细胞，主要是肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）和中性粒细胞，行使促进肿瘤并抑制免疫的功能。T淋巴细胞在进入肿瘤微环境后会发生耗竭和失能，从而降低清除肿瘤的能力。造成T细胞耗竭和失能的原因有很多，其中之一是慢性抗原刺激，另一种是肿瘤微环境引发的代谢变化。胆固醇是细胞膜结构的主要成分，所有的哺乳动物细胞都需要胆固醇。许琛琦团队在之前的研究中发现，通过调控T细胞的胆固醇代谢可以增强其抗肿瘤能力（Nature 2016）。但肿瘤微环境中各种免疫细胞的胆固醇代谢状态和对胆固醇代谢的依赖程度还不是很清楚。肿瘤浸润淋巴细胞有过高还是过低的胆固醇水平以及失调的胆固醇代谢是否会影响肿瘤浸润淋巴细胞的功能尚未清楚。此外，临床测试的靶向胆固醇代谢的药物对免疫细胞是否有益或有害还需要仔细评估。解决这些基本问题可以为理解癌症和免疫提供重要信息，并可能提出代谢干预的新策略。

团队首先检测了肿瘤微环境中各种细胞类群的胆固醇代谢图谱，发现肿瘤浸润淋巴细胞存在胆固醇缺陷，而免疫抑制型髓系细胞和肿瘤细胞具有丰富的胆固醇并消耗了大部分环境胆固醇。接下来团队设计了一个过继转移实验来比较肿瘤中浸润的T细胞与相同抗原激活的T细胞的细胞膜胆固醇水平。肿瘤浸润的T细胞的胆固醇水平远低于疫苗激活的T细胞。另外，在靶向肝癌细胞的GPC3 CAR-T治疗模型中，肿瘤浸润CAR-T细胞的膜表面胆固醇水平随着浸润时间逐渐降低。这些数据共同表明肿瘤微环境可导致肿瘤浸润淋巴细胞胆固醇缺陷。（图2）

图2 肿瘤微环境的胆固醇图谱（A和B），肿瘤微环境中T细胞胆固醇水平（C-E）

团队接下来研究了肿瘤浸润淋巴细胞胆固醇缺陷的功能后果。通过Scap^flox/flox 小鼠与Cd4^cre 小鼠杂交（Scap^CKO）在T细胞中特异性敲除SCAP（SREBP2激活所必须的蛋白质）来抑制T细胞胆固醇获取。移植MC38肠癌细胞后，Scap^CKO小鼠比WT小鼠的肿瘤生长更快且生存更差。在肿瘤微环境中，Scap^CKO小鼠有更少的CD8⁺ T细胞但不影响CD4⁺ T细胞数量。进一步研究发现相比于CD4⁺ T细胞，CD8⁺ T细胞有更加活跃的胆固醇代谢水平，且对胆固醇缺陷引发的增殖抑制和细胞自噬介导的细胞凋亡更加敏感。（图3）

图3 胆固醇缺陷对T细胞抗肿瘤能力的影响（A和B），CD8+ T细胞比CD4+ T 细胞胆固醇代谢更活跃且对胆固醇缺陷更敏感（C-E）

团队进一步在靶向肝癌细胞的GPC3 CAR-T治疗系统中研究了肿瘤微浸润T细胞胆固醇缺陷的原因。研究发现，肝癌细胞条件培养基和病人肝癌样本中富集多种胆固醇代谢物，其中包括氧化型胆固醇，特别是27-羟化胆固醇（27-HC）。氧化型胆固醇可以通过抑制SREBP2通路并激活LXR通路来导致T细胞胆固醇缺陷。同时团队还通过对胆固醇缺陷细胞的RNAseq定义了胆固醇缺陷特征基因集，并发现特征基因集中含有多种重要的信号和代谢通路。这表明胆固醇缺陷可以通过影响多种重要的信号和代谢通路来影响T细胞增殖与存活，从而引发肿瘤微环境中T细胞耗竭或失能。值得一提的是，T细胞耗竭或失能是一种高度异质的状态，可以通过不同的方式诱导。尽管通过不同的机制，慢性抗原刺激和胆固醇缺乏都可以抑制T细胞增殖和存活，从而抑制抗肿瘤免疫。团队还尝试了一种使肿瘤浸润CAR-T细胞胆固醇水平正常化的策略。LXRβ基因敲除可以显著抵抗LXR激活引发的T细胞胆固醇缺陷并增强GPC3.BBZ CAR-T细胞的体内抗肿瘤能力。（图4）

图4 肝癌样本中富集氧化型胆固醇（A），胆固醇缺陷特征基因集（B-D），LXRβ基因敲除增强GPC3.BBZ CAR-T细胞的体内抗肿瘤能力（E）

综上所述，这一研究揭示了肿瘤内细胞胆固醇图谱的全景，并阐明了T细胞胆固醇缺陷的机制和功能重要性。胆固醇缺陷导致T细胞耗竭和失能的机制与慢性抗原刺激的机制不同。该研究还发现胆固醇正常化可以促进工程化T细胞疗法的疗效。这一研究也可能适用于其他与T细胞胆固醇代谢有密切联系的疾病。在慢性感染的情况下，T细胞低胆固醇获取能力可能是抗病毒免疫无效的原因。对于过度活化的 T 细胞导致不良组织损伤的自身免疫和慢性炎症，抑制胆固醇的获取可能会通过抑制T细胞免疫来改善疾病进展。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请许琛琦研究员代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

您的团队为什么会关注肿瘤微环境中细胞的胆固醇代谢？

许琛琦研究员：

胆固醇是细胞膜的主要成分，对快速增殖的细胞尤其重要。他汀药物可以抑制肿瘤细胞的增殖，但是临床的肿瘤治疗效果并不理想。这些结果提示需要对肿瘤中各类细胞的胆固醇代谢进行全面研究，才能设计合理的胆固醇代谢干预策略。

CellPress：

您认为此研究的亮点是什么？

许琛琦研究员：

我认为此研究亮点是全面观察了肿瘤微环境中各类细胞的胆固醇水平，发现T细胞具有胆固醇缺陷特征并鉴定了氧化型胆固醇是诱发T细胞胆固醇缺陷的原因。

CellPress：

这项研究的下一步计划是什么？

许琛琦研究员：

我们会继续探索胆固醇代谢对各类肿瘤浸润细胞的调控机制。

作者介绍

许琛琦

研究员

许琛琦，中国科学院生化细胞所研究员，国家杰出青年基金、万人计划入选者。长期从事T细胞免疫学研究，提出了免疫受体“近膜静电调控”理论，发展了免疫受体的调控策略并证明了其应用前景。代表性成果发表于Nature 2013, 2016, 2018, Cell 2020, Cancer Cell 2023等，入选2016年度中国科学/中国生命科学十大进展，2020年度中国生命科学十大进展/重要医学进展。曾获中国青年科技奖，Chinese Biological Investigators Society Young Investigator Award，上海市青年杰出贡献奖，上海市自然科学一等奖等荣誉，担任Cell Research, JBC等期刊编委。

宋保亮

院士

宋保亮，中国科学院院士，武汉大学教授、副校长，武汉大学泰康生命医学中心主任。长期致力于胆固醇代谢研究，以通讯作者发表论文60多篇，包括Nature (2)、Science、Cell等，取得多个原创发现：阐明小肠胆固醇吸收的分子途径，揭示胆固醇合成调控通路，发现细胞内胆固醇运输的新途径与方式，鉴定胆固醇外排的调控机制，这些成果被选入《Lehninger Principles of Biochemistry》、《Molecular Cell Biology》、《Williams Textbook of Endocrinology》等经典教材，三次入选“中国生命科学十大进展”，为降脂药物的研发提供了新的思路和理论基础。曾获陈嘉庚青年科学奖、中国青年科技奖、谈家桢生命科学奖创新奖、科学探索奖等荣誉，兼任中国细胞生物学学会理事长、国家基金委“糖脂代谢的时空网络调控”重大研究计划专家组组长。

闫成松

博士

闫成松，2019年于中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所获得博士学位，并留所进行博士后研究。2021年入职国科大杭州高等研究院从事博士后研究。主要研究方向为T淋巴细胞胆固醇代谢与肿瘤免疫。相关研究成果发表于Cancer Cell，Cell Research等国际期刊。现作为特别研究助理就职于中国科学院分子细胞卓越创新中心/上海生物化学与细胞生物学研究所。

郑霖

博士在读

郑霖，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心博士研究生。2015-2019年就读于中山大学生命科学学院，2019年进入许琛琦研究员实验室攻读博士学位。

姜书谭

博士

姜书谭，免疫学医学博士。2015-2021年于中国科学院分子细胞科学卓越创新中心许琛琦研究员组攻读博士学位。2022年加入益杰立科(上海)生物科技有限公司任免疫平台负责人，主要方向为表观遗传编辑在肿瘤免疫治疗领域的应用，对肿瘤微环境中T细胞的耗竭、细胞治疗中效应细胞功能的提高及免疫细胞基因编辑等领域有着深入研究。

杨皓晨

博士在读

杨皓晨，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心博士研究生，2021年毕业于四川大学生命科学学院，于同年进入许琛琦研究员实验室攻读博士学位。

郭俊

博士

郭俊，2011获中山大学生命科学学院学士学位，2018年于中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所获得博士学位，并留所进行博士后研究。主要研究方向为脂质代谢对T细胞重要受体结构及功能的影响，同时利用CRISPR-Cas9技术筛选T细胞的关键脂质代谢基因。相关研究成果发表于Cancer Cell, Plos Biology及JEM等国际期刊，并获得了国家博士后科学基金特别资助及上海“超级博士后”基金资助。现就职于上海药明巨诺生物医药研发有限公司从事早期研发工作。

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