Nature Metabolism：NK细胞的物种差异性调控机制揭示：丝氨酸是营养分子，更是免疫效应开关

物种特异性丝氨酸代谢差异调控自然杀伤细胞功能

2025年8月，加利福尼亚大学等单位的研究人员在《Nature Metabolism》（IF:20.8）上发表了题为“Species-specific serine metabolism differentially controls natural killer cell functions”的研究论文，揭示了丝氨酸代谢在为激活的人类和小鼠 NK 细胞功能供能方面具有独特的物种特异性作用，并为通过代谢调控增强过继 NK 细胞疗法提供了策略参考。

  亮点概述：

• 细胞因子激活的原代人类和小鼠NK细胞中既有保守性、也有种间特异性的代谢物变化。
• 激活的人类 NK 细胞无法进行从头丝氨酸合成，因此在体外丝氨酸饥饿或体内饮食性丝氨酸限制条件下，其效应功能会广泛受损，抗肿瘤功能也受到限制。
• 激活的小鼠 NK 细胞能够通过从头丝氨酸合成驱动一碳代谢和增殖，从而在体外及饮食性丝氨酸限制时展现出更强的代谢灵活性。

  研究背景：

小鼠是生物医学研究中的核心模式生物。尽管具备优势，小鼠的免疫系统并不能完全复刻人类，因为人类与小鼠在免疫细胞的数量、频率以及基因调控网络方面存在差异。此外，在全身代谢方面小鼠也表现出显著差异，包括整体代谢率更高、进食更频繁，以及血糖和游离脂肪酸水平升高。由于激活的免疫细胞会经历剧烈的代谢重编程，这些在进化上存在差异的宿主代谢环境可能会使免疫产生物种特异性的代谢适应。自然杀伤（NK）细胞是一类先天性淋巴细胞。为执行强大的效应功能，NK细胞会在白细胞介素（IL）-2 和 IL-15等激活型细胞因子的作用下发生快速代谢重编程。然而，在原代激活的免疫细胞类型中，是否存在物种特异性的代谢机制来为效应功能供能，目前尚不清楚。

研究人员首先研究了IL-2/IL-15刺激是否会诱导人类NK细胞出现代谢重编程特征，例如细胞体积增大（母细胞化）以及中心碳代谢及其相关机制的利用率提高。结果表明体外3天的IL-2/IL-15刺激足以诱导原代人类NK细胞发生代谢重编程和激活。为探究物种间细胞因子诱导的代谢重编程相关的物种特异性代谢变化，研究人员采用液相色谱 - 质谱联用技术（LC-MS）对未激活或经 IL-2/IL-15 激活3天的人类和小鼠NK细胞的代谢物进行了分析。所有样本中共检测到76 种不同的代谢物，涵盖所有主要代谢通路相关的代谢物。通过偏最小二乘判别分析（PLS-DA）得到的变量重要性投影评分显示，驱动 naive 与 IL-2/IL-15 刺激 NK 细胞差异的核心代谢物包括糖酵解和三羧酸循环代谢物、氨基酸及脂质。研究人员分析了未激活的人类与小鼠 NK 细胞之间差异丰度的代谢物，结果显示，与人类细胞相比，未激活的小鼠细胞中存在少量丰度升高的代谢物。这些代谢物主要与中心碳代谢和脂质代谢相关，且提示未激活的小鼠细胞中从头丝氨酸合成的中间产物磷酸丝氨酸丰度更高。细胞因子激活的 NK 细胞与未激活细胞对比分析中，人类 NK 细胞特有的差异丰度（DA）代谢物有 22 种，小鼠特有的有 16 种，而两种物种共有的保守 DA 代谢物有 38 种。对物种特异性代谢物的代谢组学通路分析（MetPA）表明，激活的人类NK细胞中，与淀粉、氨基酸和甘油脂质代谢通路相关的代谢物富集增加，而嘧啶和谷胱甘肽通路相关的代谢物减少。相比之下，激活的小鼠NK细胞中丰度增加的代谢物与嘧啶和特定氨基酸代谢通路相关。在小鼠NK细胞中，这些变化主要由 IL-15 激活驱动。因此，细胞因子刺激会在经细胞因子激活的 NK 细胞中引发保守性和物种特异性的代谢变化。

细胞因子刺激在活化的人类和小鼠NK细胞中诱导出保守且物种特异性的代谢变化

为验证环境中的丝氨酸是否为激活的人类和小鼠 NK 细胞的增殖及效应功能所必需，研究人员使用外周血单个核细胞（PBMC）来源的原代NK 细胞分别培养在对照培养基或无丝氨酸 / 甘氨酸培养基中，并添加 IL-2/IL-15（针对人 NK 细胞）或 IL-15（针对小鼠 NK 细胞）。通过检测体外丝氨酸限制条件下，人 NK 细胞和小鼠 NK 细胞的细胞内丝氨酸水平、增殖能力、细胞毒性、 γ 干扰素（IFN-γ）产生能力、PI3K、mTORC1 和 mTORC2 的活性，综合结果表明在依赖最佳 mTORC1 信号通路以促进激活的 NK 细胞效应功能方面，人与小鼠对环境中丝氨酸的需求存在物种差异。

研究人员进一步探究了细胞因子激活的 NK 细胞在丝氨酸生物合成活性方面是否存在物种特异性差异。首先通过参考已发表的 3 小时 IL-2/IL-15 刺激的人类和小鼠 NK 细胞 bulk RNA 测序数据集以及免疫印迹验证了限速酶磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）的表达。接着利用[U-¹³C]-葡萄糖示踪技术直接评估了 NK 细胞中由葡萄糖合成非必需氨基酸的过程。即使经过 72 小时的 IL-2/IL-15 刺激，人类 NK 细胞中也未检测到含¹³C标记的丝氨酸。相比之下，新鲜分离的小鼠 NK 细胞经 IL-15 刺激 24 小时后，其丝氨酸中有 5%-10% 被¹³C标记，而刺激 72 小时后，这一比例增至约 20%。人类 NK 细胞对环境中丝氨酸的摄取量也更高，因为与小鼠 NK 细胞的培养液相比，人类 NK 细胞培养 48 小时后的培养液中丝氨酸水平显著更低。随后利用稳定同位素示踪技术研究了人类和小鼠 NK 细胞对外源丝氨酸的摄取动力学。用 [2,3,3-²H]-L - 丝氨酸对经细胞因子激活 48 小时的人类和小鼠 NK 细胞进行短暂标记后发现，人类 NK 细胞在接触同位素标记丝氨酸后的 5 分钟内，超过 80% 的细胞内丝氨酸来源于环境。相反，小鼠 NK 细胞在标记 15 分钟时达到稳态，此时约 50% 的同位素标记丝氨酸来源于摄取。通过过表达或敲除PHGDH的相关实验揭示了丝氨酸代谢的物种特异性机制：激活的原代人类 NK 细胞因丝氨酸合成酶表达量低而无法进行丝氨酸生物合成，而小鼠 NK 细胞则通过 IL-15 诱导的方式合成丝氨酸，为增殖供能。

活化的人类和小鼠NK细胞的从头丝氨酸合成活性并不保守

丝氨酸是多种脂质代谢通路的关键前体，细胞毒性依赖于脂质的合成与摄取。在缺乏最佳 mTOR 激活的情况下，丝氨酸依赖的从头脂质合成足以增强激活的人类 NK 细胞的细胞毒性。接下来测试了在丝氨酸限制条件下，Phgdh 的表达是否为维持小鼠 NK 细胞的细胞毒性和中性脂质含量所必需。通过对未激活或经 IL-2/IL-15 刺激的人类 NK 细胞进行了 bulk RNA 测序分析以及利用 [2,3,3-²H]-L - 丝氨酸示踪技术，确定了人类 NK 细胞中由丝氨酸合成的特定脂质种类。LC-MS分析显示，在受刺激的人类 NK 细胞中，²H 标记的神经酰胺（C18 - 二氢神经酰胺、C16 神经酰胺和 C22 神经酰胺）、鞘磷脂（SM）以及磷脂中的磷脂酰丝氨酸（PS）和磷脂酰乙醇胺（PE）均出现富集。同样，丝氨酸受限的 NK 细胞中，神经酰胺、SM、PE和PS的细胞内丰度均降低。因此，丝氨酸是激活的人类 NK 细胞中从头鞘脂和磷脂合成所必需的物质。

物种特异性丝氨酸依赖的脂质代谢促进NK细胞的细胞毒性

鉴于这些表型特征，研究人员随后探究了饮食性丝氨酸限制是否会损害人类 NK 细胞介导的肿瘤控制作用。证实饮食中的丝氨酸 / 甘氨酸是体内人类 NK 细胞功能维持和肿瘤控制的关键营养物质。肿瘤依赖丝氨酸来维持增殖，通过饮食限制丝氨酸作为一种癌症治疗手段已引起临床关注。而饮食性丝氨酸限制也可能损害癌症患者的人类 NK 细胞功能。通过CRISPR activator （CRISPRa）介导的 PHGDH 过表达足以在丝氨酸限制条件下恢复人类 NK 细胞的抗肿瘤功能，并与饮食干预协同作用，以最大限度地实现肿瘤控制和延长生存期。

体内饮食性丝氨酸限制会抑制人类NK细胞的功能

因此，该研究激活的 NK 细胞功能对丝氨酸代谢存在物种特异性需求，而环境中丝氨酸的可获得性决定了激活的人类 NK 细胞的功能。鉴于当前基于 NK 细胞的癌症治疗策略主要利用经细胞因子扩增的 NK 细胞，深入研究静息与激活的人类 NK 细胞之间的代谢差异，对于分别指导增强内源性和过继转移抗肿瘤 NK 细胞的治疗方案具有重要意义。