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中科项目文章 | CELL子刊:浙大团队利用代谢组揭示免疫调控新机制

2019-09-02

代谢重组对巨噬细胞活化的调节有重要作用。尽管已经有大量研究对免疫代谢机制进行探讨,也取得了可喜的进展。但是炎症表型的代谢基础,特别是脂多糖诱导的氨基酸和核苷酸在这些不易增殖的促炎巨噬细胞中合成的生理目的仍然是个谜。

近期,《Molecular Cell》发表浙江大学基础医学院王迪团队关于巨噬细胞的免疫代谢机制的新成果,阐明了脂多糖(LPS,lipopolysaccharide)刺激磷酸戊糖途径(PPP)、丝氨酸合成途径(SSP)和一碳代谢通路,这些通路协同作用通过重塑表观调控促进炎症因子如IL-1β的转录表达。中科新生命为该研究的代谢组学部分提供技术服务。

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One-Carbon Metabolism Supports SAdenosylmethionine and Histone Methylation to Drive Inflammatory Macrophages

《Molecular Cell》

IF=14.548


研究背景

免疫细胞根据其执行不同的免疫功能或者免疫反应的不同阶段构建和偏好不同的代谢物质生化基础,从而帮助其更好地发挥免疫应答并维持免疫稳态的平衡。炎症性巨噬细胞(Inflammatory Macrophages)的活化在炎症性疾病中发挥重要作用,研究不同类型的代谢物质生化基础、代谢途径偏好、以及营养物质供给,以及在巨噬细胞活化中的调控功能,将为全面了解巨噬细胞炎症反应提供重要的理论基础。


实验材料

LPS诱导的巨噬细胞和未诱导的细胞


技术路线

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实验结果

1. 代谢组学分析全局差异

为了研究代谢物促进炎性巨噬细胞的早期和全局效应,作者采用LC-MS/MS对LPS刺激6h的腹腔巨噬细胞进行了非靶向代谢组学分析,一共鉴定到187个代谢物,53个代谢物显著上调和53个显著下调(P<0.05)。

结果表明,LPS刺激的巨噬细胞中,除了已知的有氧糖酵解代谢产物、琥珀酸和衣康酸(三羧酸循环代谢产物)迅速累积外,糖酵解支路磷酸戊糖途径(PPP)和丝氨酸合成途径(SSP)和一碳代谢增强。

RNA-seq和qPCR也表明,在LPS刺激下,PPP、SSP、丝氨酸转运、线粒体叶酸循环和一碳代谢通路中的许多关键酶也都上调表达。

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以上数据表明,糖酵解支路PPP和SSP以及一碳代谢通路在LPS刺激下被激活。

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2. 代谢流向及功能分析

研究人员利用代谢流技术系统分析葡萄糖、丝氨酸等来源的碳原子的代谢流向以及它们的协同功能。结果发现,LPS促进葡萄糖来源的碳原子分别通过PPP途径产生核糖,SSP途径生成丝氨酸、甘氨酸、一碳单位,进而促进ATP的从头合成(ATP de novo synthesis)。研究人员进一步发现,这种通过叶酸循环来源的一碳单位并不能直接掺入到一碳代谢重要组成部分蛋氨酸循环中,而是需要外源蛋氨酸和ATP提供的嘌呤环协同生成细胞内最重要的甲基供体,S-腺苷甲硫氨酸SAM。在促炎巨噬细胞中,葡萄糖和外源丝氨酸通过从头合成的ATP协同支持蛋氨酸循环和SAM生成。

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3. 抑制剂处理与基因干预

作者通过多项抑制剂实验和基因干预的方式,发现SAM和THF介导的一碳通量促进LPS诱导的IL-1β产生,但不能刺激肿瘤坏死因子-α(TNF-α)。这说明证实上述代谢通路对于体外和体内IL-1β等炎症因子的表达非常重要,但是对于TNF-α的转录表达没有影响。

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此外,除了支持从头嘌呤的合成外,PPP主要通过维持氧化还原平衡促进脂多糖诱导的炎症,PPP和SSP通过维持氧化还原平衡和有效的单碳通量来驱动巨噬细胞。

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4. 特定氨基酸饥饿培养实验

特定氨基酸饥饿培养实验显示,丝氨酸或蛋氨酸在培养基中的单独缺失均会导致脂多糖诱导的IL-1β mRNA的抑制,并且两者联合缺失具有附加效应,而甘氨酸缺失的效果有限。这说明外源蛋氨酸和丝氨酸对于炎症性巨噬细胞的活化非常重要,但是甘氨酸贡献很小。由此可知,外源性蛋氨酸和丝氨酸共同支持脂多糖诱导的炎症,促进SAM的生成。

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5. SAM生成及其驱动的甲基化反应在炎症过程中协同调节组蛋白甲基化修饰

由于SAM是细胞内最为重要的甲基供体,研究人员发现LPS刺激会促进H3K36me3的累积,而对其他类型的组蛋白甲基化修饰影响较小。更重要的是干扰上述代谢网络或通过蛋氨酸、丝氨酸饥饿培养的话,H3K36me3的表达受到显著抑制,说明H3K36me3在巨噬细胞活化过程中对SAM的依赖性最为明显。

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6. ChIP-qPCR验证

实验结果证实,SAM合成在H3K36me3在炎症因子基因如Il1b等gene body区域的富集中扮演着十分重要的角色,并促进一系列炎症因子的表达。这说明,脂多糖通过激活SAM-Feeding通路,从而增强H3K36me3的染色质占有率。

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小结

该研究利用转录组、非靶代谢组以及代谢流等技术,系统地揭示了在LPS刺激条件下,葡萄糖、氨基酸、核苷酸等如何协同(synergistically) 支持免疫代谢物S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的产生,进而通过重塑表观调控促进炎症因子如IL-1β的转录表达。


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