Immunity：浙大靳津/曹倩团队揭示微量元素硒调控T细胞分化的新机制

2021

08/05

生物世界

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该研究团队以初诊未用过任何药物的克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC）患者作为研究对象，借助单细胞测序、代谢组学和蛋白质谱等技术，揭示了疾病特异性的免疫细胞亚群和变化代谢物，解析了硒调控Th1细胞分化的分子机制，为克罗恩病的发病机制提供了新的理论依据。

炎症性肠病 （IBD）主要包括克罗恩病 （Crohn's disease, CD）和溃疡性结肠炎 （ulcerative colitis, UC），是肠道菌群和肠道免疫系统失调引起的慢性肠道疾病，显著影响患者的生活质量，目前无法治愈，故又被称为“绿色癌症”。遗传因素、自身肠道菌群紊乱和肠粘膜免疫系统失衡是导致IBD的主要原因，但其致病的分子机理尚不清晰。

近年单细胞测序 （scRNA-seq）技术的迅猛发展使得人们对疾病发病机制的探索细化到细胞亚群，Aviv Regev揭示了一些已知风险基因在UC患者肠黏膜不同细胞类型和信号通路中的分布【1】，Marco Colonna等鉴定了成年重度CD患者末端回肠炎症部位上皮内淋巴细胞（intraepithelial lymphocytes, IEL）中特有的T细胞亚群【2】，Athos Bousvaros等揭露了UC和CD患者血液及结肠黏膜疾病特异性的免疫细胞群【3】。目前纳入这些研究项目的患者均接受过药物治疗，其肠道免疫微环境会受到影响，因此对未使用过药物治疗的IBD患者仍有待研究。

2021年8月2日，浙江大学生命科学研究院靳津课题组与浙江大学附属邵逸夫医院曹倩课题组合作，在免疫学顶级期刊 Immunity 在线发表了题为： Multiomic analyses reveal a critical role of selenium in controlling T cell differentiation in Crohn’s disease 的研究论文。

该研究鉴定了初诊炎症性肠病（IBD）患者疾病特异性免疫细胞亚群和变化代谢物， 解析了微量元素硒调控I型辅助T （Th1）细胞分化的新机制，为克罗恩病 （CD） 的治疗提供了潜在新靶点。

在这项研究中，研究人员对3例健康对照和12例初诊未接受过药物治疗中重度克罗恩病（Crohn's disease, CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis, UC）患者的结肠黏膜免疫细胞进行了单细胞测序，通过对63314个高质量转录组数据进行聚类分析，研究人员发现初诊CD患者的Th1-like 细胞和GPBhiFollicular B细胞特异性增多，而Th17-like 细胞和exhausted Tc17 细胞的比例在初诊UC患者特异性升高。通过比较Th1-like和Th17-like 细胞的转录组水平，研究人员发现了代谢相关基因的改变，进而猜测代谢在CD和UC患者T细胞分化差异模式形成过程中可能有重要作用。

为了验证这一猜想，研究人员收集了30例对照人群和64例活动期IBD患者（UC和CD患者各32例）的活体组织样本，并利用LC-MS非靶向代谢组学技术鉴定了疾病特异性变化代谢物。接着，研究人员对疾病特异的差异代谢物进行功能筛选，发现在培养基中添加硒的有机形式3'-磷酸腺苷酸显著抑制Th1细胞的分化而不影响Th17细胞的分化。

为了解析硒影响T细胞分化的机制，研究人员利用代谢组学技术找到在加硒诱导极化的Th1细胞中显著上调的代谢物嘌呤及其衍生物（腺嘌呤、黄嘌呤和尿酸等）。内源嘌呤核苷酸的合成主要通过再次合成和补救途径，转录组学分析显示硒含量的升高使得Th1细胞中嘌呤合成补救通路的活性上升而嘌呤再次合成通路则受到抑制，同时研究人员还发现一碳和叶酸的代谢发生明显改变。

尿酸是一种有效的抗氧化剂，可以清除单线态氧和自由基，提示硒可能通过促进嘌呤合成来调节活性氧（ROS）的浓度进而调控Th1细胞的分化。研究人员证实了这一猜想，并阐明硒是通过靶向ROS-NF-κB轴调节CD患者Th1细胞的分化，此外研究人员还发现一碳代谢在Th1细胞分化过程中也具有重要作用且负调控嘌呤补救合成途径。这些发现为调控Th1细胞的分化提供了许多新靶点。

作为关键微量元素，硒会形成硒蛋白来发挥作用。为了进一步探究硒调控Th1细胞分化的机制，研究人员采用靶向硒代半胱氨酸的MS，发现硒含量的升高会促进Th1分化过程中硒蛋白W （SELW） , GPX1, GPX4, TRXR1和TRXR2的产生。

接着研究人员阐明了硒蛋白SLEW在硒调控Th1细胞分化过程中起到的关键作用，并揭露了SELW通过招募E3泛素链接酶TRIM21和多种代谢酶的方式调控嘌呤补救途径和一碳代谢的具体机制。

最后，研究人员运用小鼠肠炎模型和CD病人的临床实验在体内验证了硒的作用。

总的来说，该研究团队以初诊未用过任何药物的克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC）患者作为研究对象，借助单细胞测序、代谢组学和蛋白质谱等技术，揭示了疾病特异性的免疫细胞亚群和变化代谢物，解析了硒调控Th1细胞分化的分子机制，为克罗恩病的发病机制提供了新的理论依据。此外该研究还发现治疗药物和硒补充剂的结合可有效缓解克罗恩病病人的结肠炎症状，为克罗恩病的治疗提供了新的见解。

论文链接：

https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(21)00290-9