清華新聞網8月7日電 2019年8月6日，清華大學醫學院胡小玉課題組聯合藥學院陳立功課題組在《細胞》（Cell）子刊《免疫》（Immunity）雜誌在線發表了題為 《Slc6a8介導的肌酸轉運和積累通過調控細胞因子應答來重編程巨噬細胞的極化》（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-精氨酸的下遊代謝產物肌酸在幹擾素IFN-γ介導的巨噬細胞活化[M(IFN-γ)]和白介素IL-4介導的巨噬細胞活化[M(IL-4)]中分別發揮著關鍵調控作用。
肌酸在哺乳動物中大多數分布在大腦、骨骼肌和心肌當中，主要通過轉運蛋白Slc6a8運輸到細胞內。之前的研究表明，肌酸在肌肉和神經系統中以能量介質的形式偶聯ADP-ATP的反應並發揮著重要的生理功能，而肌酸在免疫系統中的功能則鮮為人知。在巨噬細胞中，由誘導型一氧化氮合酶（iNOS）和精氨酸酶（arginase 1）介導的兩條L-精氨酸代謝通路分別在M(IFN-γ)和M(IL-4)過程中扮演著至關重要的角色，而肌酸代謝作為L-精氨酸的另外一條代謝途徑卻在巨噬細胞中少有研究。於是，研究人員想要探索肌酸是否也在巨噬細胞的免疫活化過程中發揮重要功能。
肌酸在巨噬細胞極化過程中的功能和分子機制
在IFN-γ介導的巨噬細胞活化過程中，即M(IFN-γ)，IFN-γ抑制Slc6a8介導的肌酸攝取，肌酸通過阻礙IFN-γR2與JAK2相互作用來抑制STAT1磷酸化，從而抑制STAT1靶基因如Nos2的表達，以削弱宿主清除細菌的能力。在IL-4介導的巨噬細胞活化過程中，即M（IL-4），IL-4提升肌酸攝取，肌酸通過ATP提升SWI/SNF活性，維持Arg1啟動子染色質開放程度，促進其基因表達，從而增強機體招募嗜酸性粒細胞的能力。從代謝水平來看，肌酸通過抑制iNOS、促進arginase 1的表達來調控巨噬細胞的極化過程，形成一個精密的L-精氨酸免疫代謝調控網絡。
在研究思路上，研究人員主要採用功能缺失（Slc6a8基因敲除）和功能獲得（補充外源肌酸）的策略來探究肌酸在巨噬細胞中的功能和作用機制。在課題研究初期，和大多數科學探索一樣，研究人員對「表型」的探究不算順利，陷入了尋找肌酸在巨噬細胞中有何功能的困境當中。在長時間地嘗試了各種體內和體外實驗後，他們發現在生理狀態下，巨噬細胞缺少肌酸並不會影響其發育和吞噬功能。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胞中LPS介導的下遊信號通路和基因表達。這些實驗結果一度讓研究人員認為肌酸在巨噬細胞中可能沒有什麼功能，然而研究人員並沒有放棄對肌酸功能的探索，直到有一天嘗試了幹擾素IFN-γ的刺激後，他們驚奇地發現肌酸缺失大大活化了巨噬細胞中IFN-γ介導的下遊基因表達，如Nos2和Cxcl9等。並且小鼠體內實驗也驗證了肌酸在髓系細胞中缺失可以引起iNOS和CXCL9的高表達，從而顯著提升小鼠抵抗李斯特菌感染的能力。
這些發現極大地激發了研究人員的探索興趣，並驅使研究人員想進一步揭示肌酸是通過什麼樣的機制來抑制IFN-γ介導的基因表達的。因為肌酸是細胞內一種重要的能量介質，研究人員猜想肌酸是否會通過能量相關代謝通路來調控相關基因表達，然而大量實驗表明肌酸缺失並不會影響巨噬細胞中AMPK和mTOR等代謝相關信號通路。就在一籌莫展之際，研究人員將目光重新聚集在IFN-γ介導的JAK-STAT1信號通路上。經過大量分子和生化實驗分析，研究人員最後發現肌酸是以一種非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，從而抑制下遊促炎症基因表達。經過以上一番探索，肌酸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，想繼續研究肌酸在M(IL-4)中的功能。利用類似的研究策略和長時間的探索之後，研究人員發現肌酸通過ATP依賴性的染色質重塑來維持一些IL-4關鍵靶基因的染色質開放程度並促進其表達，增強M(IL-4)的活化，從而使巨噬細胞擁有更強的招募嗜酸性粒細胞和傷口修復的能力。
所以，肌酸與L-精氨酸中iNOS和arginase 1介導的兩條代謝通路一樣，在巨噬細胞中也發揮著重要功能，這三條代謝通路嚴密地調控著巨噬細胞的極化，形成一個精密的免疫代謝網絡。肌酸在巨噬細胞中作為一類抗炎型代謝物，通過不同的機制來抑制M(IFN-γ)並提升M(IL-4)活化，可以作為一個潛在的靶點用於治療巨噬細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。同時，對肌酸轉運蛋白Slc6a8的探索也再次驗證了轉運蛋白家族在免疫系統中的重要功能，為未來免疫代謝的研究提供了新的思路。
清華大學免疫所胡小玉研究員和藥學院陳立功研究員為本文的共同通訊作者，生命科學聯合中心2014級直博生吉亮亮和藥學院2015級博士生趙心彬為本文的共同第一作者。此外，來自胡小玉課題組的博士研究生張彬、康蘭和來自陳立功課題組的博士研究生宋文欣均對本研究作出了重要貢獻。該論文還得到了來自清華大學生命科學學院的頡偉研究員和美國特種外科醫院的趙寶紅博士的大力支持。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、衛健委重大新藥創製專項、清華大學-北京大學生命科學聯合中學和清華大學免疫學研究所的資助。
論文連結：https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(19)30277-8
供稿：藥學院
編輯：程曦