研究揭示代謝分子肌酸的免疫調(diào)節(jié)功能

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院胡小玉課題組聯(lián)合藥學(xué)院陳立功課題組在《Immunity》雜志在線發(fā)表了題為“Slc6a8-mediated creatine uptake and accumulation reprogram macrophage polarization via regulating cytokine responses”的研究論文。該文章揭示了L-精氨酸的下游代謝產(chǎn)物肌酸能夠抑制IFN-γ介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞活化[以下簡稱M(IFN-γ)]，并同時(shí)可以促進(jìn)IL-4介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞活化[以下簡稱M(IL-4)]。

探索免疫應(yīng)答與代謝通路之間的關(guān)系是近幾年很火熱的研究領(lǐng)域，在巨噬細(xì)胞中，由代謝酶iNOS和arginase 1介導(dǎo)的兩條L-精氨酸代謝通路分別在M(IFN-γ)和M(IL-4)過程中扮演著至關(guān)重要的角色，而L-精氨酸的另外一條代謝途徑—肌酸代謝在巨噬細(xì)胞中的功能鮮為人知，于是，課題組研究人員選取肌酸代謝作為研究靶點(diǎn)，旨在闡明肌酸是否也對巨噬細(xì)胞活化有關(guān)鍵作用。

在課題研究初期，尋求“表型”是免疫學(xué)研究的重中之重，一個(gè)有意義的表型決定著這個(gè)課題的研究質(zhì)量。課題組研究人員在一開始也陷入尋找肌酸在巨噬細(xì)胞中有何功能的困境當(dāng)中。在長時(shí)間嘗試了各種體內(nèi)和體外的實(shí)驗(yàn)后，他們發(fā)現(xiàn)在生理狀態(tài)下，巨噬細(xì)胞缺少肌酸并不會影響其發(fā)育和吞噬功能。此外，在脂多糖LPS刺激的條件下，肌酸缺失也不會影響巨噬細(xì)胞中LPS介導(dǎo)的下游信號通路和基因表達(dá)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果一度讓研究人員認(rèn)為肌酸在巨噬細(xì)胞中可能沒有什么功能，然而研究人員并沒有放棄對肌酸功能的探索，直到有一天嘗試了IFN-γ的刺激后，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)肌酸缺失大大活化了巨噬細(xì)胞中IFN-γ介導(dǎo)的下游基因表達(dá)，如Nos2和Cxcl9等。并且體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了肌酸在髓系細(xì)胞中缺失導(dǎo)致iNOS和CXCL9的表達(dá)顯著提升，從而提高小鼠抵抗李斯特菌感染的能力。

這些發(fā)現(xiàn)極大地激發(fā)了研究人員的探索興趣，并驅(qū)使研究人員進(jìn)一步揭示肌酸是如何抑制IFN-γ介導(dǎo)的基因表達(dá)的。因?yàn)榧∷崾羌?xì)胞內(nèi)一種重要的能量介質(zhì)，研究人員猜想肌酸是否會通過能量相關(guān)代謝通路來調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)，然而大量實(shí)驗(yàn)表明肌酸缺失并不會影響巨噬細(xì)胞中AMPK和mTOR等代謝相關(guān)信號通路。就在一籌莫展之際，研究人員將目光重新聚集在IFN-γ介導(dǎo)的JAK-STAT1信號通路上。經(jīng)過大量分子和生化實(shí)驗(yàn)分析，研究人員最后發(fā)現(xiàn)肌酸是以一種非ATP依賴的方式抑制IFN-γ受體與JAK2的相互作用來阻礙JAK-STAT1信號的傳遞，從而抑制下游基因表達(dá)。經(jīng)過以上一番探索，肌酸在M(IFN-γ)中藏著的面紗被逐漸揭開，研究人員也沒有停止探究的步伐，想繼續(xù)研究肌酸在M(IL-4)中的功能。利用類似的研究策略和長時(shí)間的探索之后，研究人員發(fā)現(xiàn)肌酸通過ATP依賴性的染色質(zhì)重塑來維持一些IL-4關(guān)鍵靶基因的染色質(zhì)開放程度并促進(jìn)其表達(dá)，增強(qiáng)M(IL-4)的活化，從而使巨噬細(xì)胞擁有更強(qiáng)的招募嗜酸性粒細(xì)胞和傷口修復(fù)的能力。

所以，肌酸與L-精氨酸中iNOS和arginase 1介導(dǎo)的兩條代謝通路一樣，在巨噬細(xì)胞中也發(fā)揮著重要功能，這三條代謝通路嚴(yán)密地調(diào)控著巨噬細(xì)胞的極化，形成一個(gè)精密的免疫代謝網(wǎng)絡(luò)。肌酸在巨噬細(xì)胞中作為一類抗炎型代謝物，通過不同的機(jī)制來抑制M(IFN-γ)并提升M(IL-4)活化，可以作為一個(gè)潛在的靶點(diǎn)用于治療巨噬細(xì)胞極化紊亂帶來的疾病，如動脈粥樣硬化、肥胖、組織纖維化和腫瘤等，具有重要的生理意義。對肌酸功能的探索讓人們能夠更加全面地理解L-精氨酸在巨噬細(xì)胞中的代謝和功能，也揭示出了轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在免疫細(xì)胞中發(fā)揮著的重要作用，為巨噬細(xì)胞免疫代謝的研究打開了一扇新的窗戶。

胡小玉課題組長期以來一直致力于研究巨噬細(xì)胞活化的分子機(jī)制，之前的研究主要集中在巨噬細(xì)胞內(nèi)的免疫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，如Notch信號通路與巨噬細(xì)胞活化的關(guān)系、巨噬細(xì)胞活化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控等。近些年來，胡小玉課題組發(fā)展了免疫代謝的新研究方向，旨在揭示機(jī)體免疫應(yīng)答過程中的代謝調(diào)控機(jī)制，之前已在《Cell Host & Microbe》等雜志中揭示了腸道上皮細(xì)胞通過營養(yǎng)感知的代謝信號調(diào)控宿主的抗菌能力，本論文的工作也體現(xiàn)了胡小玉課題組在巨噬細(xì)胞免疫代謝方向的研究已經(jīng)走向成熟。