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慢性炎症会引发代偿性免疫抑制，以阻止炎症并将组织损伤降至最低。有研究表明，内质网应激增强了免疫细胞的抑制表型；然而，该过程的分子机制及其与免疫抑制巨噬细胞代谢重编程间的联系仍然不清楚。近来，Lydia N. Raines等学者在名为“PERK是巨噬细胞免疫抑制功能的关键代谢枢纽”的文章中指出辅助性T细胞2细胞因子白细胞介素-4和肿瘤微环境增加了巨噬细胞中蛋白激酶RNA样内质网激酶（PERK）信号级联的活性，并促进免疫抑制M2的激活和增殖[1]。PERK信号的丢失抑制了对M2巨噬细胞至关重要的线粒体呼吸和脂质氧化过程。PERK激活通过下游转录因子ATF-4介导磷酸丝氨酸氨基转移酶1（PSAT1）的上调和丝氨酸生物合成。丝氨酸生物合成的增加导致JMJD3依赖的表观遗传修饰所需的线粒体功能和α-酮戊二酸合成增强，揭示了PERK信号和PSAT1介导的丝氨酸代谢间的联系。抑制PERK可抑制巨噬细胞免疫抑制活性，并可增强免疫检查点程序性细胞死亡蛋白1抑制黑色素瘤的疗效。 ——生物学背景—— 巨噬细胞是先天免疫系统的重要组成部分，是一组存在于所有组织中的异质细胞，其能够发挥病原体清除、组织修复和维持稳态等功能。巨噬细胞的不同表型取决于其周围微环境，其中炎症环境会施加应激信号，影响浸润免疫细胞的能量需求和细胞适应性。然而，为了诱导表型变化，必须将这些信号纳入细胞内并进行翻译。负责协调外在环境和内在细胞需求的主要细胞器是内质网，炎症疾病可引发未折叠蛋白反应（UPR）。UPR信号级联主要由I型跨膜激酶、IRE1α、II型跨膜蛋白、激活转录因子（ATF）6和PERK（由Eif2ak3编码）组成。然而PERK在M2巨噬细胞的细胞代谢和表观遗传修饰中作用尚不明确，因此作者基于此进行了以下研究。 ——实验结果—— 研究伊始，为研究内质网（ER）应激反应在免疫抑制M2巨噬细胞中的作用，作者首先对小鼠腹腔巨噬细胞和来自肺癌患者的肿瘤相关巨噬细胞（TAM）进行了基因集富集分析（GSEA），分析结果表明，在IL-4刺激下，巨噬细胞上调与ER应激反应相关的基因。此外，通过RNA-seq数据集分析，作者发现，与native（M0）和促炎（M1）巨噬细胞相比，IL-4刺激后，骨髓源性巨噬细胞（BMDMs）显著诱导内质网应激反应的PERK通路（图1a），暗示PERK对于免疫抑制M2表型的重要性。为证实该假设，作者用TH2细胞因子IL-4刺激BMDMs，发现IL-4刺激的巨噬细胞与对照组相比，活化（磷酸化）的PERK蛋白比例更高。细胞实验中也发现，PERK缺陷型BMDM与PERK过表达BMDM相比表现出较少的M2极化。此外，这些PERK缺陷型巨噬细胞抑制T细胞增殖的能力更弱，表示巨噬细胞中PERK的缺失可能赋予更强的抗肿瘤免疫能力，作者随后也通过小鼠实验证实了该观点。 基于代谢重编程在调控巨噬细胞抑制功能中的重要性，作者接下来对来自野生型和PERKcKO小鼠的M2巨噬细胞进行RNA-seq数据分析并发现，PERK基因的敲除会引起巨噬细胞中诸多途径的显著失调，如氨基酸合成途径等。作者通过靶向代谢组学分析发现，与对照组相比，PERK缺陷M2巨噬细胞的代谢物水平明显不同，其中线粒体代谢物、组氨酸/嘧啶和几种关键氨基酸显著下调。此外，作者通过透射电镜发现PERKcKO M2巨噬细胞的线粒体总体数量较低，与野生型细胞相比也较小。与此同时，作者也观察到编码线粒体钙转运的基因在PERKcKO M2细胞中表达下调，PERK敲除导致BMDMs线粒体内钙通量显著降低。总的来说，上述发现表明，抑制PERK信号可能通过阻止内质网和线粒体之间的交互而不同程度地破坏线粒体稳态，进而阻止M2巨噬细胞产生足够的能量来维持其免疫抑制功能。 丝氨酸生物合成途径（SBP）可以为核苷酸从头合成提供一个碳单元，用于细胞增殖以及各种大分子的生物合成。作者观察到PERK的缺失显著降低了IL-4处理巨噬细胞中氨基酸（即丝氨酸、甘氨酸和苏氨酸）和核苷酸（即组氨酸和嘧啶）的代谢水平，并通过代谢组学分析证实了该现象（图1a-d）。PERK的缺失不仅对丝氨酸从头合成水平产生下调的影响，而且也下调了M2巨噬细胞的关键SBP基因（PHGDH，PSAT1，PSPH）的转录水平（图1e、f）。随后作者通过发现，PERK敲除同样降低了ATF-4、PHGDH和PSAT1的蛋白表达，暗示PERK的活化通过调控ATF-4，以重新编程细胞代谢网络，进行调节M2的活化。
图1. PERK通过ATF-4调控巨噬细胞的丝氨酸从头合成。 为了揭示丝氨酸代谢对于免疫抑制M2巨噬细胞的重要性，作者通过PHGDH抑制剂 CBR-5884或逆转录病毒介导的靶向PHGDH和PSAT1的shRNA来处理BMDMs。实验发现，SBP酶的抑制显著降低了CD206、CD301、PD-L2和Relmα的表达。此外，作者通过动物实验发现，在IL-4刺激的PSAT1cKO BMDMs中同样检测到CD206、CD301、PD-L2和Relmα的表达较低。为了进一步确定PSAT1在免疫抑制巨噬细胞中的作用，作者采用动物实验发现，巨噬细胞中PSAT1的敲除可增强抗肿瘤T细胞反应，导致B16-F10荷瘤小鼠的TIL和表达IFN-γ的CD8+和CD4+T细胞百分比增加。 PSAT1在线粒体脂肪酸代谢中至关重要，因此作者通过实验验证了PERKcKO巨噬细胞中所存在的线粒体功能障碍确实是由于SBP代谢减少所致。除了维持线粒体功能外，SBP还通过调控细胞内α-KG水平来维持表观遗传修饰，在氨基酸稳态中发挥重要作用。其中，PERKcKO导致IL-4刺激的M2巨噬细胞中谷氨酰胺消耗和α-KG产生显著减少（图2a，b）。如预期的，与野生型对照相比，PSAT1敲除的M2巨噬细胞中α-KG的细胞水平也严重失调（图2c）。α-KG是JMJD3组蛋白去甲基化的重要辅助因子，作者推断PSAT1和PERK缺陷导致免疫抑制M2表型降低可能是由于α-KG可用性降低导致组蛋白去甲基化减少。实验表明，H3K27上的组蛋白甲基化标记在PSAT1cKO和PERKcKO后升高（图2d，e）证实了该假设。
图2. SBP的下调抑制JMJD3介导的组蛋白去甲基化 鉴于上述发现，作者在文章的结尾评估了GSK2656157（PERK抑制剂）和NCT-503（PHGDH抑制剂）的抗肿瘤作用。结果发现，在上述两种小分子抑制剂处理的B16-F10荷瘤小鼠中观察到肿瘤进展缓慢，能够显著延长荷瘤小鼠的存活时间。考虑到GSK2656157总体上有更好的效果，作用随后测试了其与抗PD-1免疫疗法的协同作用，发现协同作用的效果更佳。 ——小结—— 本文发现，巨噬细胞可对辅助性T细胞2（TH2）细胞因子白细胞介素-4（IL-4）和肿瘤微环境（TME）作出反应，进行调控PERK信号通路，后者调控线粒体呼吸以满足细胞能量需求，同时也通过ATF-4信号调节PSAT1活性以介导丝氨酸生物合成途径。PSAT1介导的丝氨酸合成过程除了维持线粒体功能外，还介导JMJD3依赖性组蛋白去甲基化所需的α-酮戊二酸（α-KG）的产生，并促进免疫抑制M2激活和其增殖能力。 参考文献： [1]. Lydia N. Raines, et al. PERK is a critical metabolic hub for immunosuppressive function in macrophages[J]. Nature Immunology, 2022. |
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