清华大学/上海药物所研究团队发现新型的钙离子通道

钙离子（Ca²⁺）是普遍存在于真核细胞内的第二信使。内质网作为细胞内主要的钙离子储存库，其钙离子水平异常会诱发内质网应激以及多种疾病。在静息状态下，内质网中的钙离子浓度维持在毫摩尔（mM）级别，而细胞质中的钙离子浓度维持在纳摩尔（nM）级别。

 

这种浓度差的维持依赖于SERCA家族ATP酶持续将钙离子从细胞质泵入内质网，且内质网主动或被动释放钙离子。其中，主动释放通常由外部刺激触发。例如，在活化的T细胞中，T细胞受体（TCR）信号通过IP3R通道触发钙离子的快速释放。然而，内质网在稳态下被动释放钙离子的具体通道仍然是一个谜。

 

近日，清华大学基础医学院彭敏团队联合中科院上海药物研究所夏冰清和高召兵团队发现，跨膜蛋白TMEM41B是定位于内质网的新型钙离子通道。它在维持初始T细胞的代谢静息和反应性方面发挥着过去未知的关键作用。这项研究成果于2025年3月4日发表在《Cell Discovery》期刊上。

 

 

研究材料与方法

 

在这项研究中，研究人员制备了T细胞特异性的Tmem41b基因敲除小鼠（Cd4^CreTmem41b^fl/fl）。他们利用单通道电生理学技术对纯化的重组TMEM41B进行检测，并通过流式细胞术观察其离子通道活性。他们通过测定耗氧率（OCR）和细胞外酸化率（ECAR）来评估初始T细胞的代谢活性。此外，他们还利用单细胞RNA测序和定量PCR分析等技术来探究背后的分子机制。

 

技术路线

 

在体外和体内实验中，通过TMEM41B敲除和过表达等实验证明其介导钙离子跨膜转运

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通过单通道电生理学实验证明纯化的重组TMEM41B形成了一个浓度依赖性的钙离子通道

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实验表明TMEM41B缺失的初始T细胞进入代谢活化状态并分析其分子机制

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通过体外和体内实验评估TMEM41B缺失的初始T细胞对抗原刺激的反应

 

研究结果

 

TMEM41B介导钙离子跨膜转运

 

在之前的一项全基因组CRISPR筛选中，研究人员发现VMP1与内质网的钙离子稳态有关。考虑到TMEM41B与VMP1相关，他们在本研究中探讨了TMEM41B在钙离子调节中的潜在作用。在标准的钙池操控钙内流（SOCE）实验中，TMEM41B缺失导致HEK293T细胞出现内质网钙离子水平升高和SOCE减弱，而过表达TMEM41B则导致钙离子几乎完全耗尽。

 

为了将这些发现扩展到原代T细胞，他们将Tmem41b floxed小鼠（赛业生物提供）与Cd4^Cre转基因小鼠杂交，制备了T细胞特异性的Tmem41b基因敲除小鼠（Cd4^CreTmem41b^fl/fl）。与预期一致，TMEM41B缺失的初始T细胞的内质网钙离子水平升高。这些数据证实，TMEM41B对于内质网释放钙离子至关重要。

 

考虑到测定跨内质网膜的钙离子转运在技术上具有挑战性，研究人员通过构建突变体（TMEM41B-K4A），将TMEM41B重定位到质膜上（图1）。他们在过表达TMEM41B-K4A的细胞中观察到大量钙离子内流，且是浓度依赖性的。众所周知，长时间的钙离子内流会导致细胞死亡。与此一致的是，过表达TMEM41B-K4A的细胞表现出更多的细胞凋亡（图1）。这些结果表明，TMEM41B能够介导钙离子跨膜转运，可能其自身就是一种钙离子通道，或协助其他钙离子通道发挥作用。

 

图1. TMEM41B介导钙离子跨膜转运

 

TMEM41B形成钙离子通道

 

通过单通道电生理学实验，研究人员发现纯化的重组TMEM41B能形成阳离子选择性通道。后续的分析显示，TMEM41B对钙离子具有通透性。他们将TMEM41B第91、93和94位的天冬氨酸残基突变为丙氨酸（D91/93/94 A），发现突变体仍然可形成一个阳离子通道，并且对钙离子具有通透性，但其在纯钙溶液中的电导率明显下降，表明D91/93/94对TMEM41B通道的钙离子通透性至关重要。此外，钙离子浓度能够调节TMEM41B通道的活性。

 

TMEM41B维持初始T细胞的代谢静息状态

 

与对照小鼠相比，Tmem41b基因敲除小鼠的T细胞活化状态没有明显差异，但初始T细胞体积增大，表明合成代谢活性增强（图2）。单细胞RNA测序分析发现，TMEM41B缺失的初始T细胞尽管在表型上仍是初始细胞（CD62L⁺CD44^–），但与T细胞静息状态相关的转录因子下调。更重要的是，与T细胞活化相关的基因在这种初始T细胞中上调。这些转录变化表明，尽管TMEM41B缺失的初始T细胞未发生免疫活化，但它们处于代谢活化状态，这是之前从未报道过的现象。

 

图2. TMEM41B维持初始T细胞的代谢静息状态

 

为了揭示背后的机制，研究人员筛选了与促进代谢有关的受体。在TMEM41B缺失的初始T细胞中，IL-2受体和IL-7受体均上调，且下游的JAK-STAT、AKT-mTOR和MAPK通路信号传导增强。之后，他们利用WT TMEM41B和D91/93/94 A突变体开展拯救实验，发现CD25和CD127的上调、下游信号传导增强以及T细胞体积增大都被WT TMEM41B逆转，而不是D91/93/94 A突变体。由此可见，这些变化与内质网的钙离子水平失调有关。研究人员认为，TMEM41B缺失的T细胞中的内质网钙离子过载会通过某种机制上调IL-2/IL-7受体，最终导致初始T细胞的代谢活化。

 

TMEM41B抑制T细胞的反应性

 

通过分析单细胞RNA测序数据，研究人员还观察到TCR信号传导的负调控因子Cd5在TMEM41B缺失的初始T细胞中下调。考虑到CD5在抑制TCR信号传导中的作用，他们推测TMEM41B缺失的初始T细胞可能对抗原刺激反应过度。他们发现，与对照T细胞相比，活化标志物CD69、CD44和CD25的表达上调。

 

值得注意的是，CD5的过表达部分逆转了TMEM41B缺失的T细胞对抗原刺激的反应增强。此外，WT TMEM41B（而非D91/93/94 A突变体）的重新表达在很大程度上恢复了CD5的表达，并减轻了T细胞的高反应性。这些结果表明，内质网钙离子过载通过某种机制下调了TMEM41B缺失的T细胞的CD5，从而提高了它们对抗原刺激的反应性。

 

最后，研究人员通过体内实验评估了缺乏TMEM41B的生理影响。他们发现，与WT T细胞相比，TMEM41B缺失的T细胞更容易进入细胞周期，并对αCD3诱导的T细胞清除表现出抵抗力。在病毒和细菌感染模型中，TMEM41B缺失的CD8 T细胞对感染的反应比对照细胞更强烈，这与体外研究结果一致，即TMEM41B缺失的初始T细胞代谢活跃，对抗原刺激的反应过度。

 

结论

图3. TMEM41B作为内质网钙离子释放通道维持初始T细胞静息和反应性的模型图

 

这项研究证明了TMEM41B是一种浓度依赖性的钙离子通道，它能释放钙离子以防止内质网钙离子过载。钙离子过载会促使TMEM41B缺失的T细胞进入代谢活化但免疫初始的状态，这表明内质网钙离子在维持初始T细胞的代谢静息和反应性方面发挥关键作用，而这一点是之前未认识到的（图3）。

 

同时，这项研究还发现内质网钙离子水平能够调节初始T细胞上关键受体的表达，这为了解T细胞的免疫调节机制提供了新视角。靶向TMEM41B或内质网钙离子有望成为在感染期间增强T细胞反应的一种新策略，并有望治疗与内质网钙离子失调有关的疾病。

 

原文检索

Ma, Y., Wang, Y., Zhao, X. et al. TMEM41B is an endoplasmic reticulum Ca2+ release channel maintaining naive T cell quiescence and responsiveness. Cell Discov 11, 18 (2025). https://doi.org/10.1038/s41421-024-00766-w