适应缺氧是结核分枝杆菌(Mtb)在体内生存的主要挑战。干扰素(IFN)-γ产生CD8⁺ T细胞有助于控制结核分枝杆菌感染，部分是通过促进巨噬细胞的抗菌活性。结核分枝杆菌是否对抗这些反应，特别是在缺氧条件下，仍然未知。

2024年5月28日，同济大学戈宝学、杨华及陆军军医大学叶丽林共同通讯在Nature Microbiology 在线发表题为“Mycobacterium tuberculosis produces D-serine under hypoxia to limit CD8⁺T cell-dependent immunity in mice”的研究论文，该研究发现结核分枝杆菌在缺氧条件下产生D-丝氨酸以限制小鼠CD8+ T细胞依赖性免疫。

利用代谢组学、蛋白质组学和遗传学方法，研究发现结核分枝杆菌诱导Rv0884c (SerC)，一种结核分枝杆菌磷酸丝氨酸转氨酶，产生D-丝氨酸。该活性增加了Mtb在小鼠中的发病机制，但不直接影响巨噬细胞内Mtb的存活。相反，D-丝氨酸抑制CD8⁺ T细胞产生IFN-γ，这间接降低了巨噬细胞在共培养时限制Mtb的能力。在机制上，D-丝氨酸与WDR24相互作用，抑制CD8⁺ T细胞中mTORC1的激活。这降低了T-bet的表达，减少了CD8⁺ T细胞产生的IFN-γ。该研究提示结核杆菌逃避机制，其中病原体对缺氧的代谢适应导致氨基酸依赖性的适应性抗结核免疫抑制。

结核分枝杆菌(Mtb)是一种非常成功的驻留在宿主巨噬细胞内的细胞内病原体。巨噬细胞、淋巴细胞和其他白细胞聚集形成典型的结核性肉芽肿，这种细胞环境被认为是缺氧的。细胞代谢在对结核分枝杆菌感染的免疫应答中起重要作用。巨噬细胞通过深刻改变其代谢来应对感染。Mtb似乎在利用这些变化为自己谋利。研究表明，结核分枝杆菌依靠天冬酰胺转运蛋白AnsP2从巨噬细胞中捕获天冬酰胺，天冬酰胺与吞噬体中的质子反应以抵抗酸胁迫。L-精氨酸是巨噬细胞通过诱导型一氧化氮合酶(iNOS)生成一氧化氮(NO)所必需的。这一过程可被L型精氨酸酶(Arg1)打断，Arg1在结核性肉芽肿内的人巨噬细胞和感染卡介苗(BCG)的小鼠肺组织中被诱导。

对缺氧的适应是分枝杆菌在肉芽肿或巨噬细胞内维持成功持续感染的主要挑战之一。之前的研究表明，缺氧条件下的分枝杆菌分泌Rv0859/MMAR_4677 (fatty -acid degradation A, FadA)蛋白，该蛋白调节宿主脂肪酸代谢，抑制h3k9ac介导的宿主促炎细胞因子IL-6的表达，从而促进肉芽肿进展。缺氧诱导与代谢改变状态相关的分枝杆菌基因的广泛转录改变。然而，缺氧是否以及如何诱导结核分枝杆菌的这些代谢变化，从而将缺氧适应与抑制宿主抗结核(TB)免疫结合起来，目前尚不清楚。

缺氧条件通过促进磷酸丝氨酸转氨酶Rv0884c的表达诱导Mtb D-丝氨酸的产生（图源自Nature Microbiology ）

需要有效的适应性免疫反应来预防进展性、播散性结核病。T细胞在结核分枝杆菌控制中的一个主要功能是细胞因子的产生。CD8⁺或CD4⁺ T细胞通过产生IFN-γ对Mtb作出反应，IFN-γ通过刺激巨噬细胞对控制Mtb感染至关重要。尽管CD4⁺ T细胞被认为更重要，但越来越多的证据表明CD8⁺ T细胞在控制结核分枝杆菌感染中的作用。在非人灵长类动物(NHP)感染模型中，CD8⁺ T细胞反应被证明对急性和慢性结核杆菌感染至关重要，并与卡介苗接种引起的保护作用相关。在另一项小鼠模型研究中，据报道，潜伏性而非活动性结核分枝杆菌感染的控制依赖于CD8⁺ T细胞。值得注意的是，抗原特异性CD8⁺ T细胞很难识别Mtb感染的巨噬细胞，这表明Mtb对CD8⁺ T细胞的损害潜力尚未被探索。

该研究表明，Mtb诱导一种磷酸丝氨酸转氨酶Rv0884c (SerC)的表达，在缺氧条件下增加D-丝氨酸的产生。D-丝氨酸通过抑制IFN-γ的产生，抑制巨噬细胞与CD8⁺ T细胞依赖的相互作用和巨噬细胞对Mtb的控制。分子和遗传学证据表明，D-丝氨酸直接与含有WD重复序列的蛋白24 (WDR24)相互作用，使雷帕霉素复合物1 (mTORC1)通路的机制靶点失活，从而减少产生IFN-γ的CD8⁺ T细胞的产生。总的来说，该研究提供了证据，证明分枝杆菌已经进化到通过增强D-丝氨酸的生物合成来整合对缺氧的适应和对CD⁺8细胞反应的抑制，从而促进了分枝杆菌在缺氧和巨噬细胞免疫敌对环境中的生存。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41564-024-01701-1