代謝重組對(duì)巨噬細(xì)胞活化的調(diào)節(jié)有重要作用。盡管已經(jīng)有大量研究對(duì)免疫代謝機(jī)制進(jìn)行探討，也取得了可喜的進(jìn)展。但是炎癥表型的代謝基礎(chǔ)，特別是脂多糖誘導(dǎo)的氨基酸和核苷酸在這些不易增殖的促炎巨噬細(xì)胞中合成的生理目的仍然是個(gè)謎。
近期，《Molecular Cell》發(fā)表浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院王迪團(tuán)隊(duì)關(guān)于巨噬細(xì)胞的免疫代謝機(jī)制的新成果，闡明了脂多糖（LPS，lipopolysaccharide）刺激磷酸戊糖途徑(PPP)、絲氨酸合成途徑(SSP)和一碳代謝通路，這些通路協(xié)同作用通過(guò)重塑表觀調(diào)控促進(jìn)炎癥因子如IL-1β的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。中科新生命為該研究的代謝組學(xué)部分提供技術(shù)服務(wù)。
One-Carbon Metabolism Supports SAdenosylmethionine and Histone Methylation to Drive Inflammatory Macrophages
《Molecular Cell》
IF=14.548
研究背景
免疫細(xì)胞根據(jù)其執(zhí)行不同的免疫功能或者免疫反應(yīng)的不同階段構(gòu)建和偏好不同的代謝物質(zhì)生化基礎(chǔ)，從而幫助其更好地發(fā)揮免疫應(yīng)答并維持免疫穩(wěn)態(tài)的平衡。炎癥性巨噬細(xì)胞（Inflammatory Macrophages）的活化在炎癥性疾病中發(fā)揮重要作用，研究不同類型的代謝物質(zhì)生化基礎(chǔ)、代謝途徑偏好、以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給，以及在巨噬細(xì)胞活化中的調(diào)控功能，將為全面了解巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)提供重要的理論基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)材料
LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞和未誘導(dǎo)的細(xì)胞
技術(shù)路線
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1. 代謝組學(xué)分析全局差異
為了研究代謝物促進(jìn)炎性巨噬細(xì)胞的早期和全局效應(yīng)，作者采用LC-MS/MS對(duì)LPS刺激6h的腹腔巨噬細(xì)胞進(jìn)行了非靶向代謝組學(xué)分析，一共鑒定到187個(gè)代謝物，53個(gè)代謝物顯著上調(diào)和53個(gè)顯著下調(diào)（P<0.05）。
結(jié)果表明，LPS刺激的巨噬細(xì)胞中，除了已知的有氧糖酵解代謝產(chǎn)物、琥珀酸和衣康酸（三羧酸循環(huán)代謝產(chǎn)物）迅速累積外，糖酵解支路磷酸戊糖途徑(PPP)和絲氨酸合成途徑（SSP）和一碳代謝增強(qiáng)。
RNA-seq和qPCR也表明，在LPS刺激下，PPP、SSP、絲氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)、線粒體葉酸循環(huán)和一碳代謝通路中的許多關(guān)鍵酶也都上調(diào)表達(dá)。
以上數(shù)據(jù)表明，糖酵解支路PPP和SSP以及一碳代謝通路在LPS刺激下被激活。
2. 代謝流向及功能分析
研究人員利用代謝流技術(shù)系統(tǒng)分析葡萄糖、絲氨酸等來(lái)源的碳原子的代謝流向以及它們的協(xié)同功能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LPS促進(jìn)葡萄糖來(lái)源的碳原子分別通過(guò)PPP途徑產(chǎn)生核糖，SSP途徑生成絲氨酸、甘氨酸、一碳單位，進(jìn)而促進(jìn)ATP的從頭合成（ATP de novo synthesis）。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這種通過(guò)葉酸循環(huán)來(lái)源的一碳單位并不能直接摻入到一碳代謝重要組成部分蛋氨酸循環(huán)中，而是需要外源蛋氨酸和ATP提供的嘌呤環(huán)協(xié)同生成細(xì)胞內(nèi)最重要的甲基供體，S-腺苷甲硫氨酸SAM。在促炎巨噬細(xì)胞中，葡萄糖和外源絲氨酸通過(guò)從頭合成的ATP協(xié)同支持蛋氨酸循環(huán)和SAM生成。
3. 抑制劑處理與基因干預(yù)
作者通過(guò)多項(xiàng)抑制劑實(shí)驗(yàn)和基因干預(yù)的方式，發(fā)現(xiàn)SAM和THF介導(dǎo)的一碳通量促進(jìn)LPS誘導(dǎo)的IL-1β產(chǎn)生，但不能刺激腫瘤壞死因子-α（TNF-α）。這說(shuō)明證實(shí)上述代謝通路對(duì)于體外和體內(nèi)IL-1β等炎癥因子的表達(dá)非常重要，但是對(duì)于TNF-α的轉(zhuǎn)錄表達(dá)沒(méi)有影響。
此外，除了支持從頭嘌呤的合成外，PPP主要通過(guò)維持氧化還原平衡促進(jìn)脂多糖誘導(dǎo)的炎癥，PPP和SSP通過(guò)維持氧化還原平衡和有效的單碳通量來(lái)驅(qū)動(dòng)巨噬細(xì)胞。
4. 特定氨基酸饑餓培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)
特定氨基酸饑餓培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)顯示，絲氨酸或蛋氨酸在培養(yǎng)基中的單獨(dú)缺失均會(huì)導(dǎo)致脂多糖誘導(dǎo)的IL-1β mRNA的抑制，并且兩者聯(lián)合缺失具有附加效應(yīng)，而甘氨酸缺失的效果有限。這說(shuō)明外源蛋氨酸和絲氨酸對(duì)于炎癥性巨噬細(xì)胞的活化非常重要，但是甘氨酸貢獻(xiàn)很小。由此可知，外源性蛋氨酸和絲氨酸共同支持脂多糖誘導(dǎo)的炎癥，促進(jìn)SAM的生成。
5. SAM生成及其驅(qū)動(dòng)的甲基化反應(yīng)在炎癥過(guò)程中協(xié)同調(diào)節(jié)組蛋白甲基化修飾
由于SAM是細(xì)胞內(nèi)最為重要的甲基供體，研究人員發(fā)現(xiàn)LPS刺激會(huì)促進(jìn)H3K36me3的累積，而對(duì)其他類型的組蛋白甲基化修飾影響較小。更重要的是干擾上述代謝網(wǎng)絡(luò)或通過(guò)蛋氨酸、絲氨酸饑餓培養(yǎng)的話，H3K36me3的表達(dá)受到顯著抑制，說(shuō)明H3K36me3在巨噬細(xì)胞活化過(guò)程中對(duì)SAM的依賴性最為明顯。
6. ChIP-qPCR驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，SAM合成在H3K36me3在炎癥因子基因如Il1b等gene body區(qū)域的富集中扮演著十分重要的角色，并促進(jìn)一系列炎癥因子的表達(dá)。這說(shuō)明，脂多糖通過(guò)激活SAM-Feeding通路，從而增強(qiáng)H3K36me3的染色質(zhì)占有率。
小結(jié)
該研究利用轉(zhuǎn)錄組、非靶代謝組以及代謝流等技術(shù)，系統(tǒng)地揭示了在LPS刺激條件下，葡萄糖、氨基酸、核苷酸等如何協(xié)同(synergistically) 支持免疫代謝物S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的產(chǎn)生，進(jìn)而通過(guò)重塑表觀調(diào)控促進(jìn)炎癥因子如IL-1β的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。