撰文
一只鱼
CD4+T细胞的分化需要通过代谢重塑以满足其增殖和效应功能的能量需求，线粒体膜的融合与分裂调控呼吸作用和三羧酸（TCA）循环，但是线粒体膜重塑是否会影响CD4+T细胞分化仍然不清楚。
近日，来自德国马克斯普朗克免疫生物学和表观遗传学研究所的ErikaL.Pearce研究团队在Nature上发表题为AnLKB1–mitochondriaaxiscontrolsTH17effectorfunction的文章，发现TH17细胞的线粒体融合，线粒体融合因子OPA1对于TH17细胞的效应功能是必需的，敲除OPA1会抑制TH17细胞炎症因子IL-17A的表达，OPA1调控TCA循环和2-HG的产生，并通过表观遗传机制调控IL-17A表达。激酶LKB1响应线粒体膜动态变化，调控TCA代谢和丝氨酸合成酶PHGDH活性，调控2-HG水平，影响IL-17A表达。
为了研究线粒体形态在CD4+T细胞分化中的作用，研究人员首先将CD4+幼稚（naive）T细胞分化成TH1、TH2、TH17和调节性T细胞（Treg），并检测其线粒体形态，发现TH17细胞有更长的线粒体和更紧密的嵴。TH17细胞是一种促炎性辅助性T细胞，以分泌白介素IL-17为主要特征，参与自身免疫性疾病和慢性炎症的发病过程。
TH17细胞中线粒体形态异常的原因是什么呢？OPA1调控线粒体嵴的形态和线粒体内膜的融合，OPA1有不同的亚型，其中较长的亚型（l-OPA1）与更融合的线粒体膜相关，他们发现TH17细胞中l-OPA累积，而在TH1和TH2细胞中s-OPA1累积。
为了研究OPA1对T细胞的影响，研究人员利用Opa1cd4-cre小鼠（T细胞特异性敲除OPA1），首先从这些小鼠中提取T细胞进行体外实验，发现敲除了OPA1的TH17细胞表达的IL-17A更少，而敲除线粒体融合分裂的其他因子，如MFN1和DRP1，并不影响T细胞功能。值得注意的是，在Opa1cd4-cre细胞中敲除DRP1可以恢复线粒体形态和呼吸作用，但是不能挽救IL-17A表达，因此OPA1以一种不依赖于呼吸作用的方式调控TH17细胞效应功能。
TH17细胞调控肠道内稳态，也参与炎症性疾病的发生。在肠系膜淋巴结（MLNs）中，TH17细胞响应分节丝状菌，然后迁移到肠道固有层，发挥效应功能。体内实验结果表明，IL-17A表达细胞特异性OPA1敲除小鼠（Opa1Il17a-cre）肠道固有层中TH17细胞出现频率下降。在用CD3抗体处理条件下，TH17细胞扩张被抑制，且产生的IL-17A水平下降。在髓鞘少突胶质细胞糖蛋白免疫条件下，敲除OPA1可以保护小鼠抵抗实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE)，且TH17细胞产生的IL-17A水平下降。因此，OPA1对于肠道TH17细胞的维持十分重要，并且敲除OPA1可以缓解TH17细胞介导的自身免疫疾病发生。
那么OPA1如何影响T细胞功能呢？他们首先排除了能量的原因，然后代谢组分析发现Opa1cd4-creTH17细胞中TCA循环代谢物累积，特别是α-酮戊二酸（α-KG）产生的2-羟基戊二酸（2-HG）高度上调，并且葡萄糖更少流向糖酵解和TCA循环。值得注意的是，敲除OPA1之后葡萄糖向丝氨酸生物合成的代谢也减少了，谷氨酰胺来源的碳被大量整合进谷氨酸、TCA循环中介产物和2-HG。向细胞培养基中加入2-HG，发现IL-17A的产生和细胞数目显著降低。因此，敲除OPA1增加了谷氨酰胺的氧化和2-HG的产生，抑制IL-17A表达。
2-HG如何影响IL-17A表达呢？2-HG可以抑制α-KG依赖的DNA和组蛋白双加氧酶和去甲基化酶，提高组蛋白和DNA甲基化水平。他们发现Opa1cd4-creTH17细胞中组蛋白和DNA甲基化水平改变，并且利用染色质开放性测序技术ATAC-seq，发现在调控T细胞分化、转录调控和胁迫响应相关区域的染色质可及性发生改变。因此，OPA1敲除导致的2-HG累积通过改变免疫响应基因的染色质可及性调控TH17细胞效应功能。
为了研究是什么信号调控了细胞对于OPA1缺失的响应，他们进行了生信分析，发现激酶LKB1（STK11）是最有可能的上游调控因子，并且Opa1cd4-creTH17细胞中LKB1活性更高，而且在Opa1cd4-creTH17细胞中敲除LKB1可以挽救IL-17A表达。转录组分析发现，LKB1敲除降低了丝氨酸合成酶PHGDH的表达。由于PHGDH也可以催化α-KG产生2-HG，他们猜测LKB1可能通过调控PHGDH影响2-HG水平，从而调控IL-17A表达。确实，抑制PHGDH降低了OPA1缺失的TH17细胞中谷氨酰胺向2-HG的代谢，并且可以挽救IL-17A的表达。
抑制线粒体电子传递链可以通过丝氨酸分解代谢导致NADH累积，他们发现OPA1敲除的T细胞中NADH水平下降，而同时敲除LKB1可以降低谷氨酰胺向TCA和2-HG的代谢，挽救NADH、TCA代谢物和2-HG水平，并且2-HG处理可以抑制LKB1和OPA1双敲的TH17细胞中IL-17A的表达水平。
因此，LKB1通过协调谷氨酰胺氧化和PHGDH活性，产生2-HG，调控细胞表观遗传状态，影响IL-17A表达。
总的来说，这项研究揭示了LKB1-线粒体轴帮助T细胞适应不同免疫和组织环境，TH17细胞中的代谢和线粒体过程可能会是未来治疗自身免疫性疾病的靶点。
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