代谢重编程对巨噬细胞的可塑性和功能的影响
杨雪; 杨勇
【期刊名称】《《药学研究》》
【年(卷),期】2019(038)008
【总页数】防火墙作用5页(P481-485)
【关键词】巨噬细胞; 炎症; 葡萄糖/代谢; 有氧糖酵解
【作 者】杨雪; 杨勇
【作者单位】[1]中国药科大学药物科学研究院 江苏南京211100
【正文语种】中 文
【中图分类】R329.25
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贾斯丁比伯电影细胞代谢重编程的概念最早起源于癌细胞中的Warburg效应。在有氧气的条件下，线粒体呼吸作用被抑制，糖酵解途径增加并且乳酸产生增加的代谢方式最早由诺贝尔奖得主Otto Warburg发现，所以被称为“Warburg效应”或“沃伯格新陈代谢”[1]。糖酵解途径首先将葡萄糖代谢为丙酮酸，丙酮酸在线粒体中进一步代谢为二氧化碳、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)。还原当量(NADH和FADH2)驱动氧化磷酸化(OXPHOS)以获得更多的ATP合成。而Warburg效应发现，即使在有氧条件下，癌组织也利用比正常组织十倍以上的葡萄糖来产生乳酸。细胞内的乳酸分泌增加了NAD+的产生促使葡萄糖连续摄入细胞并且由此产生的糖酵解中间体的积累促进了细胞的生物物质的快速合成。自从Warburg效应被发现和定义以来，这种效应一直被认为仅在癌细胞中发生。像Warburg效应这种，细胞脱离了正常的代谢通路，产生异常量的代谢中间体和代谢物甚至产生新的代谢产物，这种细胞过程即为代谢重编程。然而，最近的研究结果表明，类似Warburg效应的代谢重编程也存在于快速增殖的其他细胞中，包括各种类型的免疫细胞，最明显的是在巨噬细胞和T细胞中，并决定免疫细胞亚在例如炎症性疾病和癌症等疾病状况中的功能。
巨噬细胞是机体内固有免疫晚期应答的主要效应细胞，同时，在适应性免疫的抗原提呈中
也发挥着作用。巨噬细胞来源于骨髓干细胞，以单核细胞为前体，后在定居组织中发育为成熟巨噬细胞。成熟巨噬细胞在生物学特征方面具有极大的可塑性，不同微环境可激活其分化为不同功能亚，成为活化巨噬细胞。巨噬细胞显示一系列功能激活表型，具体取决于它们所处的微环境的组成，包括组织/器官的类型和性质以及具体的生理病理条件。在不同巨噬细胞活化表型中，其上述过程也不尽相同。最近的研究表明促炎性巨噬细胞激活与代谢重编程特别是有氧糖酵解密切相关，三羧酸循环(TCA循环)发生改变，并且线粒体呼吸减少。我们对巨噬细胞的可塑性如何受局部微环境调控的认识还很有限。所以，本文主要综述了细胞的代谢途径对于巨噬细胞感知微环境和改变其功能的相关作用以及这个过程所涉及的疾病和以后将进行的方向。工资证明单
1 巨噬细胞通过代谢适应感知微环境
巨噬细胞在人体几乎所有组织中都大量存在，在监视和调节局部组织微环境中发挥重要作用[2]。局部组织微环境的组成(例如代谢物，细胞因子、氧张力、炎症信号)和来自其他组织细胞的信号对巨噬细胞代谢和功能的可塑性起决定性作用[3]。反过来，细胞的新陈代谢可能直接通过产生和消耗代谢物来影响微环境[4]。由此可见，响应于局部环境中不断变化
的代谢条件，组织巨噬细胞的功能表型可能也在持续不断的变化当中。组织巨噬细胞的这种功能可塑性反映在无数的转录改变和代谢表型变化上[5]。例如，没有炎症刺激期间，组织巨噬细胞会表现出相应的功能表型，促进和维持体内平衡，而如果有炎症刺激条件下，巨噬细胞则会监测微环境的改变并从转录和代谢的基线水平向能够适应体内炎症环境的方向转变，一旦炎症刺激被清除，其又能立即返回基线水平。可见，巨噬细胞内的转录和代谢变化是可诱导、可逆的[6-7]，巨噬细胞的功能与细胞代谢的改变密切相关，巨噬细胞的可塑性与巨噬细胞改变或重新编程细胞代谢的能力直接相关。
2 M1巨噬细胞活化产生的代谢适应
ATP的产生为巨噬细胞功能提供了能量。葡萄糖是最主要的ATP产生来源，产生过程主要包括两个途径，上游途径是胞浆中的葡萄糖代谢为丙酮酸，丙酮酸继而在线粒体中生成乙酰辅酶A(乙酰CoA)。下游途径是乙酰CoA接着进入TCA循环，最终被氧化生成H2O和CO2，过程中产生还原当量的NADH和FADH2，经OXPHOS中的电子传递链传递，以氧作为电子受体来支持ATP合成酶催化产生ATP(净产生36个ATP分子)。TCA循环与氧化磷酸化以及线粒体的功能紧密相关。当糖酵解减少时，细胞也可以代谢谷氨酰胺或脂肪酸来补充
TCA循环并维持氧化磷酸化。当氧气变得有限或三羧酸循环中断时，细胞进行无氧糖酵解，丙酮酸转化为乳酸而不是乙酰CoA。尽管糖酵解产生较少的ATP分子，但其产生速度更快，对维持能源水平具有潜在的重要性。在稳态条件下巨噬细胞表现出的代谢特征与正常氧气充足的条件下一致，而在体外，M1巨噬细胞(用LPS刺激或IFNγ和LPS共同刺激所激活)中，三羧酸循环的利用降低，OXPHOS减少，并且葡萄糖向乳酸的代谢即糖酵解增加，呼吸链的活动被削弱的同时，活性氧物质(ROS)的产生也随之增加[4,7-8]。重要的是，这种代谢适应并不是因为缺氧而发生，因此被称为“有氧糖酵解”[5,9]。线粒体氧化磷酸化的减少与线粒体三羧酸循环中间体的积累有关，例如柠檬酸盐，琥珀酸盐和延胡索酸盐，也与增加的谷氨酰胺和精氨酸的消耗有关[10-11]。
3 M2巨噬细胞活化产生的代谢适应
与M1巨噬细胞相反，IL-4激活的巨噬细胞(M2巨噬细胞)更依赖于从脂肪酸的氧化和谷氨酰胺的消耗中获取持久的能量。M2巨噬细胞可促进电子传递链中的组分表达，并且驱动丙酮酸进入三羧酸循环，所以在活化的M2巨噬细胞中观察到的是有OXPHOS过程而没有有氧糖酵解的代谢表型[3,12]。某些慢性涉及IL-4信号传导的疾病(例如寄生虫感染、变态反应、
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哮喘)可能与M2巨噬细胞持续维持OXPHOS状态有关，而另一方面慢性炎症刺激可能与抑制巨噬细胞的有氧糖酵解有关[13]。在正常的稳态条件下或应激条件下，特别是在体内，M2巨噬细胞的代谢表型仍不清楚。此外，是否可以利用代谢的重新编程来干扰M2巨噬细胞的功能也有待未来的研究。因此，本文之后的综述主要聚焦的主体是炎性巨噬细胞即M1巨噬细胞。
4 参与巨噬细胞代谢适应的关键物质
在LPS或IFN-γ激活的巨噬细胞中TCA循环的代谢重编程涉及两个重要酶的下调，导致TCA循环功能上的中断[14]。第一次中断涉及异柠檬酸脱氢酶(IDH)表达显著降低，导致柠檬酸盐的生成大量增加[15]。柠檬酸盐可从TCA循环中产生并运输进入细胞质中并发挥至少3个重要作用：①产生具有抗微生物及抗炎特性的衣康酸[16]；②产生能合成新型膜脂，花生四烯酸和前列腺素的脂肪酸[17]；③产生草酰乙酸，继而产生还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)[17]。TCA循环中第二次中断发生在琥珀酸转化为延胡索酸的过程中，是由于琥珀酸脱氢酶(SDH)的抑制[15]。SDH的抑制不仅导致琥珀酸盐水平增加，也导致线粒体呼吸减少(因为SDH构成线粒体呼吸链复合体Ⅱ)[17]。线粒体琥珀酸转运蛋白表达增加，
将积累的琥珀酸盐转运进入胞质中，在胞质中，琥珀酸盐抑制脯氨酸羟化酶(PHD)降解，PHD是促进HIF1降解的物质，因此PHD抑制的功能性后果是导致HIF1蛋白的稳定和积累[4]。累积的HIF1蛋白直接促进促炎性细胞因子IL-1β的转录并正向调节糖酵解途径中关键酶(例如己糖激酶1)和转运蛋白(例如葡萄糖转运蛋白1，GLUT1)的表达[4]。在线粒体中，累积的琥珀酸盐可以抑制线粒体呼吸链复合体Ⅰ，导致ROS产生增加，ROS也可以抑制胞质中的PHD[18]，这进一步稳定了HIF-1，ROS介导的PHD抑制也促进NF-κB信号传导[19]。
最近的一项研究表明，琥珀酸盐的线粒体积累不止发生于M1巨噬细胞中。在小鼠肾脏，心脏和大脑局部缺血和再灌注损伤的模型中，琥珀酸积累是一种普遍的缺血的代谢特征[20]。然而，与M1巨噬细胞中SDH的抑制相反，作者发现在缺血期间SDH不是抑制，而是反向催化并减少延胡索酸盐向琥珀酸盐的累积[20]。 SDH的这种反向催化的原因是由于在缺血性条件下胡索酸盐过多的积累。作者证明再灌注时，琥珀酸盐很快被SDH重新氧化，通过在线粒体复合体Ⅰ上的反向电子转运机制驱动广泛的ROS生成[20]。有趣的是，癌细胞代谢也与增加某些TCA循环中间体有关，如琥珀酸盐[21]。这导致一种假设的提出，即在线粒体琥珀酸盐积累和有充足氧气的存在下，ROS都会在复合物Ⅰ中显著增加。由于ROS是公认的重要的促炎性物质[22]，则M1巨噬细胞中TCA循环中断可能促进炎症信号的传导。
在IDH和SDH被抑制之前，有琥珀酸盐和柠檬酸盐的前体进入TCA循环，这个补充的TCA循环周期被称为回补反应。最近有人提出在M1巨噬细胞中天冬氨酸-精氨琥珀酸循环的活性增加和天冬氨酸-苹果酸循环穿梭的修饰这两条线路的代谢调整，都导致中间体延胡索酸盐和苹果酸盐的补充[15]。这两条代谢调整的线路在TCA循环中断的M1巨噬细胞中还具有其他几个方面潜在的功能：①增加的琥珀酸盐可以进一步抑制SDH活性并加强琥珀酸盐积累或促进SDH的反向催化[20]；②苹果酸在苹果酸-天冬氨酸穿梭中起重要作用，能够在胞质中再生NAD+，被用于糖酵解过程并促进线粒体内还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)合成以用于生成ATP。然而，在M1巨噬细胞中诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的表达增加导致高瓜氨酸水平上升[23]，天冬氨酸可以与瓜氨酸反应生成精氨琥珀酸盐，精氨琥珀酸盐进一步代谢为精氨酸(iNOS的底物，有利于平衡精氨酸-琥珀酸和瓜氨酸-精氨酸之间的循环)和琥珀酸盐来补充TCA循环。
那么，在M1巨噬细胞中精氨琥珀酸途径活跃所带来的功能性影响是什么呢？精氨琥珀酸途径与瓜氨酸-精氨酸循环相互作用来再生精氨酸，使iNOS持续产生NO。有研究表明在巨噬细胞中维持NO产生的这种代谢适应可以杀死细胞内的分枝杆菌[24]。此外，IL-1β也被证明
在巨噬细胞分枝杆菌的感染控制中至关重要[25]。另一方面，iNOS的持续活跃和NO的产生对于抑制炎性小体产生IL-1β也很关键[26]。因此，巨噬细胞环境依赖性功能的微调可以通过调节精氨琥珀酸途径的活性和精氨酸的利用来完成。
NO还导致线粒体呼吸链复合体Ⅱ的抑制(即SDH)[27]，再次强化了TCA循环的上述中断。瓜氨酸-精氨酸循环的重要作用也进一步体现，有报道表明在表达iNOS并Toll样受体(TLR)激活的血单核细胞来源的树突状细胞(DCs)中，线粒体功能障碍与iNOS的表达和有氧糖酵解的代谢重编程只同时发生在能产生NO的DCs中[28]。在巨噬细胞中也有类似的报道，NO促进糖酵解代谢过程[28-29]。NO也会通过抑制呼吸链促进电子泄漏来增加ROS的产生，进一步促进PHD抑制，导致HIF1更加稳定并促进细胞因子产生[27-28]。
再生精氨酸也可以被精氨酸酶1用于促进鸟氨酸合成谷氨酸盐，它可以补充到中断的TCA循环中。有报道称在LPS激活的巨噬细胞中，谷氨酰胺通过γ-氨基丁酸(GABA)途径的代谢主要参与TCA 循环的回补反应[5]，但是GABA途径所需的酶是否在巨噬细胞中表达这点并不明确[15]。因此，TCA循环的回补反应可能发生在精氨酸酶将精氨酸转化为鸟氨酸产生谷氨酸的代谢过程中。考虑到在巨噬细胞中的尿素循环中鸟氨酸无法代谢(由于缺乏鸟氨酸氨
罗琦个人资料甲酰基转移酶的表达[23])，鸟氨酸通过精氨酸酶代谢为谷氨酸成为了另一个参与TCA 循环回补反应的代谢通路[15]。通过瓜氨酸和天冬氨酸反应再生精氨酸，M1巨噬细胞逐渐成为精氨酸自养型，这种代谢适应对于维持精氨酸浓度很快会受到限制的M1巨噬细胞的功能尤其重要[23]。另外，在肉芽肿反应中(M2巨噬细胞激活，精氨酸酶1高表达)T细胞增殖可能不仅与精氨酸有关[4]，还与M2巨噬细胞中代谢编程的调节有关。