5-羟色胺（5-HT，又称血清素）是一种重要的神经递质，主要由色氨酸经过色氨酸羟化酶（TPH）代谢衍生而来。5-HT广泛分布于中枢神经系统，在产生愉悦情绪、稳定睡眠周期和记忆增强等生物学行为中发挥了关键作用。除了中枢神经系统，外周系统中同样含有大量5-HT，根据报道显示，外周5-HT含量超过人体5-HT总含量90%[1]。越来越多的研究证实外周5-HT在感染、凝血、自身免疫性疾病、肝脏再生、肿瘤等多种生理病理过程中发挥了重要作用[2]。
经典的细胞生物学理论认为5-HT主要通过激活靶细胞细胞膜上的5-HT受体发挥其生物学功能，但是近年来的研究发现5-HT可以被修饰到蛋白质的谷氨酰胺残基上，使蛋白质发生5-HT化翻译后修饰，从而调节蛋白质的功能[3]。张志刚团队前期研究显示胰腺癌肿瘤微环境中富含大量5-HT（Gastroenterology，2017）[4]，但是，目前5-HT化翻译后修饰在癌症进展中作用的报道目前极少。
2024年1月11日，上海交通大学医学院附属仁济医院上海市肿瘤研究所肿瘤系统医学全国重点实验室张志刚课题组和江苏大学附属医院肿瘤研究院放疗科王旭课题组在 Molecular Cell 杂志发表了题为 A GAPDH serotonylation system couples CD8+ T-cell glycolytic metabolism to antitumor immunity 的研究论文，该工作详细系统性阐述了GAPDH 5-HT化翻译后修饰通过促进CD8+ T细胞免疫功能增强其抗肿瘤活性的机制。
研究者们使用丙炔化5-HT类似物5-PT刺激CD8+T细胞，通过Click Chemistry的方法并结合Streptavidin-Biotin系统获得5-PT结合蛋白，即得到可能发生5-HT化修饰的蛋白，进一步通过蛋白质谱进行分析，发现多个与糖酵解相关的蛋白，其中GAPDH排名第一。糖酵解代谢是杀伤性CD8+ T细胞活化的重要标志，因此研究者进一步对质谱分析排名前三位的糖酵解相关蛋白（GAPDH、ENO1、LDHA）进行了活性检测，其中仅有GAPDH蛋白活性在5-HT刺激后升高，这一结果提示GAPDH的5-HT化可能促进了GAPDH糖酵解活性。
组织转谷氨酰胺酶（TGM）是介导5-HT化修饰的关键酶，其家族共包含TGM1-7七个亚型，RNA测序和PCR验证的结果显示CD8+ T细胞主要表达TGM2。研究者们进一步构建了CD8+ T细胞TGM2基因条件性敲除（Tgm2fl/flCD8-Cre）小鼠，体外实验中5-HT不能促进TGM2敲除的CD8+ T细胞增殖、IFN-γ产生及糖酵解代谢，体内实验中Panc02胰腺癌细胞和MC38结肠癌细胞在Tgm2fl/flCD8-Cre小鼠中生长速度加快，并且CD8+ T细胞浸润减少、IFN-γ含量降低。
GAPDH包含6个谷氨酰胺（Q）位点，质谱检测提示Q46、Q76、Q183、Q202 和Q262均可发生5-HT化，通过构建Q to A点突变蛋白，发现只有Q262A位点突变与GAPDH糖酵解活性有关。研究者们进一步制备了特异性识别GAPDH Q262 5-HT化位点（Q262ser）的抗体，并通过WB、共聚焦显微镜和流式验证了CD8+ T细胞GAPDH Q262ser表达。
进一步的实验显示CD8+ T细胞有两个5-HT来源途径：（1）通过细胞自身的5-HT合成酶TPH1自分泌5-HT；（2）通过细胞表面5-HT转运体SERT从微环境中摄取5-HT。单胺氧化酶（MAO）是5-HT降解的关键酶，CD8+ T细胞主要表达MAOA亚型，敲除MAOA可在体内、体外促进CD8+ T细胞的活化和抗肿瘤活性。研究者们还比较了5-HT受体和5-HT化对CD8+ T细胞的不同影响，结果显示5-HT通过HTR7受体介导了CD8+ T细胞的快速活化，而GAPDH Q262 5-HT化则与CD8+ T细胞的长期活化有关。
最后，为了探讨CD8+ T细胞5-HT化修饰的潜在临床转化价值，研究者们构建了过表达TPH1的 CAR-T（TPH1-CAR-T）细胞，TPH1-CAR-T细胞可自分泌5-HT并自发性产生高水平的GAPDH Q262ser修饰。动物实验结果显示传统CAR-T细胞使肿瘤体积缩小了约32%，而TPH1-CAR-T细胞使肿瘤体积缩小了78%，表明TPH1-CAR-T细胞具有强大的抗肿瘤活性。
综上，该工作系统性阐述了TGM2介导GAPDH Q262 的5-HT化翻译后修饰促进CD8+ T细胞抗肿瘤活性的机制，GAPDH Q262自发性5-HT化TPH1-CAR-T细胞具有强大的抗肿瘤活性，具有潜在的临床应用前景。
上海交通大学医学院张志刚研究员、张雪莉副研究员、胡立鹏副研究员、蒋书恒副研究员、江苏大学医学院张徐教授、江苏大学附属医院王旭主治医师为该论文通讯作者。江苏大学附属医院王旭主治医师、付胜巧硕士研究生、袁啸助理研究员、江苏大学生命科学院于峰教授、姬倩硕士研究生、唐浩文硕士研究生为该论文第一作者。
（来源：BioArt）
参考文献：
1. Spohn SN, Mawe GM. Non-conventional features of peripheral serotonin signalling - the gut and beyond. Nature reviews Gastroenterology & hepatology 2017; 14: 412-420.
2. Crane JD, Palanivel R, Mottillo EP, et al. Inhibiting peripheral serotonin synthesis reduces obesity and metabolic dysfunction by promoting brown adipose tissue thermogenesis. Nature medicine 2015; 21: 166-172.
3. Farrelly LA, Thompson RE, Zhao S, et al. Histone serotonylation is a permissive modification that enhances TFIID binding to H3K4me3. Nature 2019; 567: 535-539.
4. Jiang SH, Li J, Dong FY, et al. Increased Serotonin Signaling Contributes to the Warburg Effect in Pancreatic Tumor Cells Under Metabolic Stress and Promotes Growth of Pancreatic Tumors in Mice. Gastroenterology 2017; 153: 277-291 e219.
链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.12.015