这次介绍一篇于2021年发表在Immunity的文章，题目为“Multiomics analyses reveal acritical role of selenium incontrolling Tcell differentiation inCrohn's disease”的研究论文，该研究通过多组学分析来研究未治疗的IBD患者的免疫特征和代谢微环境,发现了硒是T细胞应答的重要调节因子和CD的潜在治疗靶点。
【背景介绍】
炎症性肠病(IBD)主要包括克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)。免疫紊乱在这两种ibd的发病中起着重要作用，但结肠免疫微环境的差异及其潜在机制尚不清楚。
【研究思路】
作者通过多组学分析来研究未治疗的IBD患者的免疫特征和代谢微环境。CD特异性代谢物的调节，尤其是低硒，可以明显促进CD特异性富集的1型辅助性T细胞(Th1)分化。硒通过硒蛋白W (SELW)介导的细胞活性氧清除，抑制CD症状和发病以及Th1细胞分化。SELW通过招募控制丝氨酸羟甲基转移酶2稳定性的E3泛素连接酶21来促进嘌呤挽救途径并抑制一碳代谢。
【研究结果】
1、单细胞测序揭示初诊未治疗IBD患者常见和疾病特异性结肠免疫细胞类型
为了研究IBD发病早期结肠免疫微环境的动态变化，作者对健康供体（n=3）、初诊未治疗的CD患者（n=6）和UC患者（n=6）的CD45+黏膜免疫细胞进行了单细胞转录组测序分析，并最终共获得了63,314个CD45+免疫细胞数据。为了明确不同分组标本间的细胞类型改变，作者根据标记基因确定了36个亚群，包括7个B细胞群、8个CD4+ T细胞群、10个CD8+ T细胞群、7个髓系细胞群、4个NK细胞群和ILC 细胞亚群。其中，CD和UC患者的CD4+Foxp3+调节性T（Treg）细胞、CD8+GZMK+效应记忆T细胞（Tem）和炎性巨噬细胞增多，IgA+B细胞、CD8+ CD160+上皮内淋巴细胞（IELs）和肥大细胞减少。此外，在不同的亚型中，Th1-like细胞和一组高表达鸟苷酸结合蛋白（GBPs）的滤泡B细胞在CD患者的结肠中特异性扩增。而且，作者还在UC患者体内发现了独特的Th17-like细胞和衰竭的Tc17细胞亚群。综上，以上结果表明CD和UC患者结肠免疫组成存在疾病特异性的改变，尤其是T细胞。
图1 健康供者和IBD患者结肠免疫细胞的单细胞特征
2、CD4 + 效应细胞亚群显示CD和UC患者的疾病特异性模式和代谢变化
研究显示，尽管CD和UC患者的结肠黏膜免疫细胞组成存在差异，但两者的疾病特异性特征主要体现在效应T细胞的不同极化机制上。th1样细胞表达转录因子EOMES和STAT1以及分泌因子IFNG和TNF，而th17样细胞高表达CREM和USF2以及分泌因子IL-17A、IL-22和CSF2。KEGG富集分析表明，th17样细胞中上调了Toll样受体信号、TNF信号和JAK/STAT通路，而th1样细胞未显示特异性通路富集。髓系细胞分析揭示CD和UC患者的炎性巨噬细胞扩增，伴随促炎细胞因子和趋化因子（如IL-1B、IL-6、CXCL2等）的表达，推动先天和适应性免疫系统的过渡。细胞通讯分析显示，CD和UC中髓系细胞与T细胞的相互作用网络比健康对照更为活跃，但这些相互作用中抗原呈递分子及Th1和Th17驱动的细胞因子表达无显著差异。代谢相关基因的差异表达表明代谢变化可能影响效应T细胞的分化，th17样细胞高表达应激相关基因GADD45A和GADD45G，而th1样细胞则高表达ALOX5P和低表达抗氧化酶基因GPX1。这些发现表明，代谢和信号通路的差异可能驱动CD和UC中效应T细胞的不同分化模式。
图2 两种类型的IBD之间，辅助性T细胞极化驱动基因的表达没有差异
3、患者结肠活检标本的代谢特征揭示了疾病特异性扰动
接下来，通过对64例活动期IBD患者（32例CD和32例UC）及30例非IBD对照的结肠活检样本进行LC-MS非靶向代谢组学分析，发现了1,994种代谢物的变化。主成分分析显示IBD患者与非IBD对照之间存在代谢差异，且UC患者的代谢特征与非IBD对照差异显著，而CD患者部分代谢特征与对照或UC患者相似。具体而言，92种代谢物在CD患者中发生特异性变化，275种代谢物在UC患者中改变。维生素C和酰基肉碱在CD患者中富集，而果糖糖赖氨酸和黄嘌呤在UC患者中特异性增加。KEGG分析显示，UC患者的代谢变化与cAMP信号通路相关，而CD患者未显著富集相关通路。根据结肠炎症严重程度将CD患者分组分析，发现油酸、鞘氨醇和琥珀酰腺苷与疾病严重程度呈正相关，而5-羟基吲哚乙酸、3-磷酸甘油酸和3 ' -磷酸腺苷硒酸呈负相关。这些结果揭示了CD和UC患者结肠微环境中特定的代谢变化和功能性代谢物的潜在作用。
图3 IBD患者和健康供者的结肠活检标本的代谢图谱
4、特异性代谢产物塑造了T细胞分化模式
为了探究疾病特异性代谢物对T细胞极化的影响，研究筛选了35个有效差异代谢物（DQMs）进行体外评估，包括CD特异性代谢物10种和UC特异性代谢物25种。实验发现，3'-磷酸腺苷硒酸盐（硒的有机形式）能够剂量依赖性抑制Th1细胞的分化，但对Th17细胞无显著影响。此外，血清硒浓度与CD的严重程度呈负相关。3'-磷酸腺苷硒酸盐对巨噬细胞中Th1或Th17驱动因子的表达无影响。相比之下，UC炎症微环境中的果糖赖氨酸和精氨酸分别促进和抑制Th1细胞分化，而其他下调的代谢物（如丙酸钠、丁酸等）促进Th1细胞极化，可能影响UC中的效应T细胞模式。进一步研究显示，硒通过显著下调I12、Ifng和Ccl3的表达抑制Th1分化，但不影响转录因子Tbx21和Stat4的表达，也不依赖IFN-γ受体-STAT1轴或IL-12诱导的STAT4激活。流式细胞术证实硒的作用独立于这些经典通路，表明其在Th1分化中的关键作用，但具体机制仍需进一步探索。
图4 亚硒酸盐选择性抑制Th1细胞分化
5、硒促进嘌呤补救途径，抑制一碳代谢
研究表明，亚硒酸盐通过调节一碳代谢和嘌呤代谢途径抑制Th1细胞的分化。代谢组学分析显示，亚硒酸盐处理的Th1细胞中嘌呤及其衍生物（如腺嘌呤、黄嘌呤和尿酸）显著增加，而嘌呤合成补救途径的关键酶上调，从头途径被抑制。此外，亚硒酸盐降低了ROS（活性氧）的产生，而尿酸作为抗氧化剂可能通过清除ROS进一步抑制Th1细胞的分化。NF-κB信号通路活性的下调表明，亚硒酸盐通过抑制ROS-NF-κB轴阻碍Th1极化。亚硒酸盐还通过干扰一碳代谢途径降低丝氨酸和甘氨酸的浓度，从而影响叶酸循环和嘌呤的从头合成。使用抑制一碳代谢的化学剂进一步证实，抑制SHMT、PHGDH等关键酶显著降低了Th1细胞的IFN-γ表达和ROS水平，而补充甲酸盐和甘氨酸恢复了IFN-γ的表达并减少了嘌呤补救途径的活性。这些结果表明，一碳代谢的下调和嘌呤代谢的重编程共同抑制了Th1细胞的分化，但这一调控过程与组蛋白甲基化修饰无关。整体数据揭示了一碳代谢和嘌呤代谢在Th1细胞极化中的重要作用以及硒通过这些途径的负调控机制。
图5 亚硒酸盐抑制一碳代谢途径和IFN-γ的表达
6、亚硒酸盐通过促进selw依赖性SHMT2降解抑制一碳代谢
研究表明，硒通过促进SELW（硒蛋白W）的表达及其与代谢酶和E3泛素连接酶TRIM21的相互作用，在调控Th1细胞分化中发挥关键作用。基因蛋白质组学分析显示，亚硒酸盐处理的Th1细胞中多种含硒蛋白（如SELW和GPX1）表达显著增加，其中SELW通过抑制IFN-γ的诱导在Th1细胞分化中起重要作用。SELW缺陷的Th1细胞表现出ROS增加、NF-κB信号活性增强以及亚硒酸盐诱导的嘌呤代谢改变的缺失。此外，SELW主要定位于细胞质和线粒体，与SHMT2（丝氨酸羟甲基转移酶2）和PHGDH（3-磷酸甘油酸脱氢酶）等一碳代谢途径关键酶结合，通过促进SHMT2的泛素化和蛋白酶体降解来负调控其稳定性，从而抑制一碳代谢途径的活性。SELW通过与TRIM21结合作为接头蛋白，促进TRIM21介导的SHMT2降解，进一步降低Th1细胞中IFN-γ的表达水平。TRIM21缺失阻碍了亚硒酸盐对Th1极化的抑制作用，表明SELW-TRIM21轴对调节代谢通路和Th1分化至关重要。这些结果揭示了硒通过SELW和TRIM21协调代谢调控和免疫调节的机制。
图6 硒通过selw介导的SHMT2降解抑制一碳代谢
7、膳食补充亚硒酸盐可减轻动物模型和IBD患者的结肠炎
研究表明，硒通过抑制Th1细胞介导的过度免疫反应，显著改善结肠炎的结局。在体外实验中，补硒显著降低了Th1细胞中IFN-γ的表达。在体内，过继T细胞转移诱导的结肠炎小鼠模型显示，低硒饮食加剧了体重下降、结肠长度缩短和结肠炎症，而补硒显著缓解这些症状，减少了结肠中Th1细胞的浸润和活化。此外，SELW的缺失削弱了补硒的保护作用，导致更严重的炎症反应，进一步支持SELW在硒调节T细胞分化和免疫平衡中的关键作用。在一项初步临床研究中，低血清硒的CD患者接受亚硒酸钠治疗后，疾病活动度评分、内镜表现及生物标志物（如钙卫蛋白、CRP和ESR）显著改善，结肠病变减轻，IFN-γ+ CD4+ T细胞频率降低。这些结果表明，补硒可通过抑制Th1介导的免疫反应有效改善CD患者的结肠炎结局，提示硒可能是治疗IBD的一种潜在策略。
图7 硒可减轻动物模型和CD患者的T细胞介导的结肠炎
【总结】
以前的研究强调了T细胞疾病在IBD发病中的重要作用。然而，导致IBD两种不同亚型差异的因素仍然研究不足。T淋巴细胞的激活导致嘌呤库的增加，嘌呤库参与核酸合成、细胞信号传导过程和代谢调节。细胞内嘌呤由两种途径产生：从头合成和补救途径。一碳代谢是 T 细胞中嘌呤从头合成的关键代谢途径。一碳代谢整合了叶酸循环、蛋氨酸循环和转硫化途径，生成核苷酸、GSH和甲基化底物。该途径利用葡萄糖或外源丝氨酸合成的丝氨酸为嘌呤的从头合成提供一碳单元。先前的一项研究表明，减弱的一碳代谢抑制了嘌呤的生物合成并损害了T细胞的活化、扩增和存活。然而，我们的数据表明，硒缺乏导致CD个体的一碳代谢过度激活和Th1极化，表明硒和一碳代谢可能是缓解CD症状的潜在药物靶点。
代谢重塑和氧化还原途径紧密相互作用以调节免疫细胞的功能。T细胞受体激活和细胞因子极化伴随着ROS的产生。几项研究表明，T细胞中过量的ROS会抑制细胞增殖和活化，甚至导致细胞死亡。适量的ROS对于T细胞的活化和功能至关重要。在T细胞活化期间NFAT激活和IL-2诱导需要线粒体ROS。此外，使用鱼藤酮抑制线粒体ROS的产生导致T淋巴细胞增殖受损、IFN-γ和IL-2产生减少以及Treg细胞极化的促进。然而，我们的研究强调，细胞质ROS而不是线粒体ROS通过激活NF-κB信号通路参与IFN-γ和IL-2的表达。NF-κB通路可被ROS激活或灭活，ROS不仅可以通过靶向Rel同源结构域 （RHD）中的半胱氨酸残基来直接修饰NF-κB异二聚体，并减少DNA结合，但也影响上游激酶，如IκB激酶（IKK）和AKT，从而影响NF-κB通路。研究还报告说，ROS促进c-Myc和哺乳动物雷帕霉素靶标（mTOR）的激活并稳定缺氧诱导因子（HIF），表明它们在调节细胞代谢中的作用。然而，在亚硒酸盐介导的细胞质ROS清除过程中，我们没有检测到对c-Myc、AKT和NFATs激活的任何影响（数据未显示），这表明NF-κB信号通路可能是细胞质ROS的主要靶标。
酶促抗氧化剂和非酶分子紧密控制平衡，从而确保维持氧化还原稳态。硒蛋白在平衡T细胞中的细胞氧化还原中起着重要作用。Trsp是一种硒代半胱氨酸 （Sec）tRNA基因，通过将Sec插入蛋白质中发挥作用，导致所有硒蛋白的缺陷，并导致T细胞发育和功能严重受损。T细胞中Gpx1的基因消融增加了细胞内ROS并促进了Th1细胞的分化。GPX4是参与清除脂质诱导的ROS和预防铁死亡的主要酶，在T细胞稳态存活和抗病毒反应中也至关重要。硫氧还蛋白还原酶1（TrxR1）对感染期间的T细胞扩增至关重要，对DNA生物合成不可或缺。然而，我们使用特异性抑制剂的结果表明，这些硒蛋白可能无助于亚硒酸盐介导的Th1细胞极化抑制。我们的数据表明，SELW不是这些众所周知的硒蛋白，而是作为一碳代谢的负调节因子而不是氧化还原酶发挥作用，并参与嘌呤的补救合成。我们的数据确定硒缺乏是CD发作和局部Th1细胞极化的关键驱动因素。我们的结果还为微量元素在炎症性疾病中调节适应性免疫中的可成药功能提供了见解。
汇报人：凌梦铼