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首都医科大学21.8分研究：色氨酸代谢与结核病T细胞免疫应答延迟的关联研究
Highlights
1. 结核分枝杆菌激活Kyn-AhR信号通路，抑制T细胞浸润感染部位。
2. IDO1-Kyn途径通过AhR抑制T细胞招募和功能，减少关键趋化因子的产生。
3. 阻断Kyn-AhR信号可以增强T细胞的浸润和活性，增强宿主对Mtb的免疫反应。
近日，“Cellular & Molecular Immunology”（IF=21.8）上发表了一篇题为“Kynurenine-AhR reduces T-cell infiltration and induces a delayed T-cell immune response by suppressing the STAT1-CXCL9/CXCL10 axis in tuberculosis”的文章。这篇文章研究了结核分枝杆菌（Mtb）如何通过调节宿主的色氨酸代谢来延迟T细胞免疫反应，从而维持慢性感染。
研究背景介绍
结核病是由结核分枝杆菌（Mtb）引起的一种传染性疾病，主要影响肺部，但也可能影响其他器官。它是全球主要的健康问题之一，尤其在发展中国家。
吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO1）是一种参与色氨酸代谢的酶，能够将色氨酸转化为犬尿氨酸（Kyn）。在免疫调节中，IDO1的活化可以导致局部色氨酸的耗竭，从而抑制T细胞的活性，这是许多病原体逃避免疫反应的策略之一。
芳香烃受体（AhR）是一种转录因子，参与多种生物学过程，包括细胞分化、免疫反应和代谢调控。AhR的活化可以通过多种机制影响免疫细胞的功能，包括调节T细胞的分化和活性。
研究思路分析
研究技术路线图
01犬尿氨酸的免疫调节作用
①Mtb感染可能导致宿主细胞代谢重编程，包括色氨酸代谢的改变。与健康人相比，肺结核患者的血清色氨酸水平降低，而其代谢物Kyn水平升高。研究发现，高Kyn水平的肺结核患者肺组织中浸润的CD4+和CD8+T细胞数量减少，且Kyn水平与T细胞功能相关。表明Mtb可能通过改变色氨酸代谢来影响T细胞功能，从而实现免疫逃逸。
②研究发现，在Mtb感染后，巨噬细胞中只有IDO1的表达水平显著增加，而其他色氨酸降解酶没有显著变化。IDO1的表达水平随着Mtb感染负荷的增加而增加。此外，Mtb通过增加IDO1 mRNA的稳定性来促进IDO1的表达。Mtb感染导致巨噬细胞内Kyn的产生显著增加，且肺结核患者肺组织中IDO1 mRNA的表达水平与CD4+和CD8+T细胞的浸润呈负相关。
③在体外T细胞迁移实验中，敲低IDO1增加了CD4+和CD8+T细胞的迁移，而过表达IDO1则抑制了T细胞的迁移。Kyn的补充逆转了IDO1敲低诱导的CD4+和CD8+T细胞迁移。此外，研究还发现敲低IDO1可增加炎性巨噬细胞中CXCL9和CXCL10的表达，过表达则降低其表达，Kyn可降低IDO1缺陷炎性巨噬细胞中CXCL9/10的mRNA水平，且不影响CXCR3的表达。表明IDO1通过将色氨酸代谢为Kyn抑制CXCL9和CXCL10的产生，从而抑制T细胞迁移。
02信号通路的调控机制
①实验结果表明，敲低STAT1，而不是NF-κB或CBP，可以消除由IDO1敲低引起的CXCL9和CXCL10蛋白和mRNA水平的升高。在敲低炎症性巨噬细胞中的IDO1后，STAT1的基础水平保持不变，但其酪氨酸磷酸化水平增加。然而，这种效应在添加Kyn后被逆转。表明，Mtb增强了色氨酸代谢酶IDO1的表达，并利用其代谢物Kyn来抑制STAT1-CXCL9/10信号通路。
②Kyn是AhR的内源性配体。研究发现，在Mtb感染的炎症性巨噬细胞中，AhR、CYP1A1和CYP1B1的表达显著上调，且AhR在感染后从细胞质转移到细胞核。进一步的研究表明，敲低AhR可以增强炎症性巨噬细胞对T细胞的趋化作用，但外源性Kyn的添加不能消除这种趋化作用。
③此外，AhR的抑制导致炎性巨噬细胞中CXCL9和CXCL10的水平显著增加，而外源性Kyn的添加对这些趋化因子的水平没有影响。在炎症性巨噬细胞中，敲低STAT1可以减轻AhR诱导的CXCL9和CXCL10 mRNA水平的增加。敲低AhR或使用AhR抑制剂SR-1可以促进STAT1的磷酸化，但外源性Kyn的添加不能抑制磷酸化的STAT1。表明，IDO1-Kyn代谢途径激活AhR，导致STAT1激活的抑制及其下游效应分子的表达抑制。
03AhR的调控作用与免疫应答
①SOCS蛋白家族作为JAK-STAT通路的直接负调节因子，其中SOCS3在AhR敲低后显著下调。通过JASPAR数据库发现SOCS3启动子含有AhR结合的核心序列（5'-GCGTG）。实验发现，与PBS或IgG处理组相比，Kyn处理组中AhR与SOCS3启动子的结合更紧密，且AhR与SOCS3启动子的结合增加了报告基因的表达，但该效应在SOCS3启动子的5’-GCGTG核心序列突变为5’-GCATG时被消除。
②随着Mtb数量和时间增加，SOCS3的表达水平也增加。敲低SOCS3后，炎症性巨噬细胞的T细胞迁移能力增强，CXCL9/10上调。Kyn或Mtb处理后，SOCS3的表达显著增加，但在AhR沉默的巨噬细胞中，Kyn处理或Mtb感染不影响SOCS3的表达或JAK1、JAK2的磷酸化。表明，Kyn-AhR启动SOCS3，通过调节JAK-STAT1信号通路来影响宿主免疫。
③在体内实验中研究发现，Mtb感染的小鼠血清中Kyn水平升高，而补充Kyn的小鼠肺中的CD4+和CD8+T细胞数量显著减少，血清中CXCL9和CXCL10的表达水平降低。而在Ahr基因敲除小鼠中，肺中CD4+和CD8+T细胞浸润水平及血清中CXCL9和CXCL10表达水平均显著高于对照组小鼠。
④注射Kyn到Mtb感染小鼠中会导致抑制性受体上调，减少CD4+和CD8+T细胞释放效应分子IFN-γ和TNF-α，且Kyn-AhR途径影响效应T细胞功能。此外，研究还发现Kyn处理野生型小鼠会增加肺和脾中的细菌负担，而Ahr沉默可减轻肺细菌负担，表明Kyn-Ahr途径抑制可缓解小鼠结核病模型的疾病负担。
图1. 犬尿氨酸抑制结核病患者的T细胞浸润
图2. Mtb通过激活IDO1-Kyn途径抑制T细胞浸润
图3. Mtb通过抑制STAT1途径抑制CXCL9/10的表达
图4. Mtb激活AhR以抑制T细胞迁移
图5. Mtb激活AhR以减弱STAT1-CXCL9/10途径
图6. AhR通过上调SOCS3调节JAK-STAT1途径
图7. Kyn-AhR途径在体内减少宿主对Mtb感染的抵抗力
图7. Kyn-AhR途径在体内减少宿主对Mtb感染的抵抗力
结论与讨论
本研究揭示了Mtb通过激活Kyn-AhR信号通路，增强色氨酸代谢酶IDO1的表达，进而促进Kyn产生，抑制T细胞向肺部的浸润，影响效应T细胞的功能，从而帮助Mtb逃避宿主的免疫反应。研究还发现，阻断该信号通路能增强宿主对Mtb的免疫控制，为结核病的治疗和疫苗开发提供了新的策略。
未来的研究可以探索靶向AhR或IDO1的小分子抑制剂，以增强T细胞反应，作为结核病治疗的潜在手段。此外，研究还应考虑宿主遗传背景和微生物组对Kyn-AhR信号通路的影响，以及如何将这些发现转化为临床应用。