撰文 | 亦 代谢重编程决定着巨噬细胞的效应功能【1-3】，但相关机制还为被完全阐释。巨噬细胞的代谢改变是炎症反应的主要调节因素【4-6】，TLR4配体脂多糖（LPS）能够刺激巨噬细胞进行中心代谢途径重编程，促进细胞因子产生，但其背后的作用机制尚不清晰。 2023年3月8日，来自爱尔兰三一生物医学研究所（TBSI）的Alexander Hooftman，Dylan G. Ryan和Luke A. J. O’Neill合作，在Nature上发表了题为Macrophage fumarate hydratase restrains mtRNA-mediated interferon production的文章，利用代谢组学和同位素示踪，作者发现脂多糖刺激能诱发炎症性天门冬氨酸-精氨酸流动，使得细胞质的延胡索酸水平升高，三羧酸循环（TCA）酶延胡索酸水化酶（fumarate hydratase, FH）的敲除进一步提升了延胡索酸水平。RNA测序和蛋白组学分析显示，抑制FH会引发强烈的炎症反应，抑制白介素10的表达，增加β干扰素的表达。文章鉴定了FH在维持巨噬细胞细胞因子和干扰素应答稳态中的保护性作用。 基于液相色谱-质谱，作者首先解析了炎症骨髓来源的巨噬细胞（BMDMs）的代谢组特征，发现在经历急性LPS刺激后，TCA循环代谢物延胡索酸盐呈现最显著的上调，其调节的蛋白琥珀酸酯化也呈现显著的上升。由于急性LPS刺激不能损伤呼吸，TCA循环的破坏还不足以引发延胡索酸盐积累，而延胡索酸是精氨基琥珀酸裂解的副产物，作者观察到精氨基琥珀酸的前体天冬氨酸盐减少，证明了天冬氨酸盐-精氨基琥珀酸流动。通过RT–qPCR，作者发现BMDMs中精氨琥珀酸合成酶Ass1增加，而FH表达减少，在LPS处理后，FH水平降低。当使用GOT2抑制剂抑制天冬氨酸盐-精氨基琥珀酸流动后，在经历LPS刺激时，天冬氨酸，精氨酸琥珀酸和延胡索酸水平都降低，Asl的敲低也阻止了延胡索酸盐的积累，说明这一过程对天冬氨酸盐-精氨基琥珀酸流动的依赖性，稳定同位素标记证实了这一点。 接下来，作者利用成熟的药理学FH抑制剂FHIN1和Cre小鼠模型分析了FH活性与巨噬细胞中延胡索酸盐积累的作用。之前的研究提示免疫代谢物可能会影响巨噬细胞功能，于是作者评估了FH抑制与巨噬细胞代谢之间的关系，发现FHIN1会影响基础呼吸和ATP的产生，造成TCA重构，增加延胡索酸盐的积累。相应地，巨噬细胞Fh1的敲除也会造成FHIN1类似的生物能量学改变，诱导大量的氧化还原应激响应。 LPS处理4h后早期TCA循环重构过程中发生的代谢变化 那么FH是否调控巨噬细胞活化和效应应答呢？RNA-seq和蛋白组学分析显示，FHIN1处理的BMDMs显著上调肿瘤坏死因子（TNF）信号途径，对细胞因子的表达也有广泛的调控作用，ERK1/2级联和PI3K信号途径下调，IL10表达和c-Fos激活被抑制。进一步的分析发现，FH调控的IL-10-TNF在人类细胞中也很活跃，ASS1的增加会造成延胡索酸盐积累，调节IL-10和TNF的产生。另一方面，FH的抑制也会导致NRF2和ATF4应激反应的激活，使得炎症相关激素GDF15显著上调。至此，作者定义了两个之前研究未强调过的与FH抑制相关的信号轴，揭示了FH在调节IL-10，TNF和GDF15中的作用。 最后，作者针对于FH抑制后RNA-seq中观察到的Ifnb1（编码IFNβ）上调做了进一步探究，他们发现FHIN1增加了LPS刺激后的巨噬细胞中IFNβ的释放，且这一过程依赖于mtDNA。出乎意料的是，这一过程不需要任何其他的感知因子（如cGAS, RIG-I, MDA5），仅仅是mtDNA就能够实现FHIN1驱动的IFN响应，而MMP的紊乱可能与mtRNA释放和IFNβ诱导有关。类似地，遗传学的敲除也能带来与FHIN1处理类似的效应。在体内，FH抑制也能导致类似的IFN响应。 总的来说，文章描述了由延胡索酸水化酶抑制引发的线粒体膜超极化和mtRNA释放现象，并阐释了其涉及到的线粒体信号通路，强调线粒体应激可能是I型干扰素释放的机制，展示了此研究在慢性炎症如衰老中的应用潜力。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05720-6
制版人：十一
参考文献
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