国自思路：非肿瘤疾病中代谢重编程与免疫应答（二）

2021年度国自然医学部国自32大科研热点的中标数统计如下：

2022热点	2021年医学部总中标数	2022热点	2021年医学部总中标数
免疫调控	852	细胞焦亡	118
血管生成、重构	531	代谢重编程	118
线粒体	485	单细胞测序	105
外泌体	430	DNA甲基化	97
miRNA	413	组蛋白修饰	80
干细胞	371	内质网	76
lncRNA	371	炎性小体	76
细胞自噬	358	中性粒细胞诱捕网	67
肠道菌群	312	糖酵解	55
circRNA	287	氧化应激	46
m6A、m5C、m7G	270	类器官	46
铁死亡	257	超级增强子	25
转录调控	232	精氨酸甲基化	25
缺氧、低氧	211	相分离	21
泛素化	186	乳酸化修饰	21
乙酰化	135	迁移体	4

编者按:三大能量物质葡萄糖、脂肪酸和氨基酸，通过脂肪酸氧化、糖酵解及谷氨酰胺代谢等不同代谢途径，分解产生丙酮酸、乙酰辅酶A及α-酮戊二酸等物质。乙酰辅酶A和α-酮戊二酸进入线粒体，通过三羧酸循环和电子呼吸链产生ATP。丙酮酸在有氧时，进入线粒体氧化磷酸化产生大量ATP，无氧或低氧时发生无氧糖酵解，在胞质中被还原为乳酸和少量ATP。肿瘤细胞与正常细胞代谢模式不同，即使有氧条件下，糖酵解增强，氧化磷酸化水平降低，被称之为“Warburg”效应。

在生命活动中，免疫稳态的维持离不开免疫细胞应答和免疫调节。免疫应答中，免疫细胞的活化需要消耗大量能量，才能实现免疫功能的调节和执行。因此，免疫细胞的代谢模式，在免疫细胞活化前后截然不同，即如同肿瘤细胞一样，也发生了“代谢重编程”，不同的代谢模式调控着免疫细胞的功能和表型。免疫细胞的“代谢重编程”是免疫代谢领域的热点研究方向之一。主要聚焦于不同代谢途径对免疫细胞活化、分化和功能的影响。包括糖代谢、脂肪代谢和氨基酸代谢等，其中糖代谢的研究最为深入。如激活的M1型巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞等，会具有类似Warbrug的代谢方式，主要依靠糖酵解产生ATP，氧化磷酸化水平显著降低。下面这篇文章研究了慢性阻塞性肺病中肺泡巨噬细胞的代谢模式和特征。

代谢重编程与免疫应答

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今天带来的思路来自西安交通大学第一附属医院于2021年4月1日发表在Free Radical Biology and Medicine 上题为“Developing a novel strategy for COPD therapy by targeting Nrf2 andmetabolism reprogramming simultaneously”的文章，即通过靶向Nrf2和代谢重编程同时开发COPD治疗的新策略。

研究概述

COPD（慢性阻塞性肺病）是一种流行的慢性肺部疾病，表现为持续的气流阻塞。它影响了3.84亿患者，每年导致超过300万人死亡，预计到2040年每年死亡人数将达到440万人。随着对COPD病理生理学的深入了解，已经提出了大量治疗策略并进行了临床试验。但是，改变针对COPD的新陈代谢的治疗方法尚未得到充分开发。作者研究显示：CPUY192018通过破坏Keap1-Nrf2和Keap1-肌动蛋白的蛋白相互作用，一方面激活Nrf2进一步促进ARE驱动的基因转录以诱导抗氧化信号传导，另一方面被破坏的肌动蛋白丝进一步改变了肺泡巨噬细胞的代谢特征。两种机制都有助于CPUY192018对COPD的治疗效果。

分子机制图

研究内容

1.在COPD受试者中观察到代谢重编程

COPD 的特征是一种影响气道、肺实质和肺血管的不良炎症性疾病，随后恶化并发展为不可逆的气道阻塞。炎症介质 IFNr、IL-5、IL-6 和 TNF 的血浆浓度在 COPD 患者（图 1a）和香烟烟雾冷凝物（CSC）暴露小鼠（图 1b）中均增加。来自 COPD 受试者的肺泡巨噬细胞显示出显著更高的细胞外酸化率（ECAR）和更低的耗氧率（OCR）（图 1c-d）。在 CSC 诱导的小鼠肺泡巨噬细胞中观察到一致的代谢变化（图 1e-f）。COPD 患者和 CSC 诱导的小鼠的肺泡巨噬细胞显著减少（图 1g）。COPD 患者和 CSC 暴露小鼠的 Nrf2 mRNA 表达水平显著降低（图 1h）。

图1

2.CPUY192018以Nrf2依赖性方式重编程巨噬细胞的代谢

在12种商业Nrf2激活剂（C1-C12）中，CPUY192018（C8）显著增强了Nrf2活性，其特征是与对照相比荧光素酶活性增加了7倍（图2a），因此，CPUY19218处理后细胞中的OCR-ECAR比率显著增加（图2b）。CPUY192018抑制了小鼠COPD肺泡巨噬细胞的基础糖酵解、最大糖酵解能力和糖酵解储备能力（图2c），也显著降低了COPD患者肺泡巨噬细胞的基础糖酵解和最大糖酵解能力（图2d）。相比之下，CPUY192018在小鼠COPD模型中升高氧化，ATP产生和最大OCR能力显著增加（图2e）。蛋白质印迹分析表明Nrf2核易位和Nrf2依赖性基因表达HO-1、NQO1和GST表现出剂量依赖性增加（图2f）。另一个Nrf2靶向基因G6PDH的表达也随着CPUY192018的施用而升高，揭示了对糖代谢途径的影响（图2f）。用CPUY192018在人巨噬细胞中处理1小时后，细胞核中的Nrf2表达水平显著增加，并与处理12小时后的Nrf2表达水平保持一致（图2g）。

图2

3.CPUY192018破坏了Keap1-Nrf2和Keap1-actin蛋白质-蛋白质相互作用

在过表达Keap1的人和小鼠肺泡巨噬细胞中，CPUY1092018破坏了Keap1-Nrf2相互作用和Keap1-肌动蛋白相互作用（图3a）。丁酸钠是一种已知的Nrf2激活剂，可直接激活ARE序列而不上调Nrf2核易位，用丁酸钠处理没有观察到Keap1-Nrf2和Keap1-肌动蛋白PPI的破坏（图3b）。此外，免疫荧光显示，在CPUY192018处理组中，Keap1未能与细胞质中的肌动蛋白丝共定位，而在DMSO和丁酸钠处理组中观察到Keap1-肌动蛋白PPI（图3c）。在DMSO或CPUY192018 处理的 Nrf2 敲除细胞中观察到 Keap1 和肌动蛋白的共定位，表明 Keap-1-肌动蛋白 PPI 依赖于 Nrf2 蛋白的存在。

图3

4.CPUY192018在体外介导糖酵解并增强吞噬作用

通过施用CPUY192018或丁酸钠，分析野生型和Nrf2敲除COPD小鼠肺泡巨噬细胞中的糖酵解通量，发现在施用10μMCPUY192018后在野生型细胞中显著降低，丁酸钠在不破坏肌动蛋白丝的情况下增强Nrf2核积累不影响糖酵解通量，CPUY192018对Nrf2敲除巨噬细胞的糖酵解活性没有影响（图4a）。因此，CPUY192018主要通过影响Keap1-肌动蛋白相互作用来抑制糖酵解。CPUY192018以剂量依赖性方式改善了受损的吞噬作用，当用10μMCPUY192018处理细胞时，吞噬功能的平均恢复率接近90%（图4b）。免疫荧光显示COPD肺泡巨噬细胞中大肠杆菌的吞噬作用减弱，并且在用CPUY192018处理的细胞中恢复了吞噬能力（图4d）。流式细胞仪检测发现，在CPUY192018处理的野生型COPD巨噬细胞中观察到荧光强度的显著右移，而在有或没有CPUY192018处理的Nrf2敲除巨噬细胞中未观察到任何变化（图4c）。

图4

5.CPUY192018改善CSC暴露小鼠的炎症反应

CSC诱导的COPD小鼠接受CPUY192018的给药，蛋白质印迹检查肺组织中的Nrf2表达发现CPUY192018诱导Nrf2以剂量依赖性方式在体内核积累（图5a）。与正常小鼠相比，使用赋形剂的COPD小鼠的OCR-ECAR比率显著降低，而使用CPUY192018的COPD小鼠的OCR-ECAR比率显著提高（图5b），用载体处理的CSC暴露小鼠显示出流感嗜血杆菌和肺炎链球菌的吞噬能力受损，而用CPUY192018处理显著恢复了COPD小鼠的吞噬作用（图5c）。此外，与载体治疗组相比，CPUY192018治疗显著抑制了COPD小鼠炎症因子的产生（图5d）。这些结果与CPUY192018对巨噬细胞的体外作用一致，并证明其对炎症的保护作用，表明其对COPD和其他慢性呼吸系统疾病的潜在治疗应用。

图5