組蛋白化學(xué)修飾是表觀遺傳調(diào)控的重要機制之一,廣被熟知的有磷酸化、甲基化、乙?;⒎核鼗?、糖基化修飾等。2019年,華人科學(xué)家趙英明團隊在《自然》雜志首次報道并揭示了組蛋白賴氨酸乳酸酰化(Kla)這一表觀遺傳蛋白修飾新機制,證明該機制參與了受細菌感染的M1巨噬細胞的穩(wěn)態(tài)調(diào)控。乳酸不再僅僅是一種代謝產(chǎn)物,乳酸化修飾成為蛋白質(zhì)翻譯后修飾研究的新領(lǐng)域,乳酸在腫瘤、免疫領(lǐng)域的研究前景廣闊。
巨噬細胞是單核細胞來源的先天免疫細胞,表型可變性和功能多樣性是單個核吞噬細胞的重要特征,一般認為極化巨噬細胞是單核細胞活化后一系列功能狀態(tài)兩個極端,可分化為兩種主要表型:促炎型(M1)和抗炎型(M2)。巨噬細胞作為免疫應(yīng)答的第一道防線,可以通過識別清除病原體、殺傷靶細胞、抗原呈遞、免疫調(diào)節(jié)等功能維持機體的穩(wěn)態(tài),然而,其過度的聚集和活化也會導(dǎo)致機體的組織損傷,故其動態(tài)平衡在組織的穩(wěn)態(tài)中起著重要的作用。即巨噬細胞通過引發(fā)炎癥反應(yīng)消除病原侵害,對微生物和各種有害因素做出反應(yīng);但巨噬細胞從促炎狀態(tài)到修復(fù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變對于消炎和恢復(fù)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。目前關(guān)于調(diào)控巨噬細胞功能轉(zhuǎn)變的分子機制仍不清楚。
2020年12月01日,俄亥俄州辛辛那提兒童醫(yī)院醫(yī)療中心在PNAS ( IF11.205 )上發(fā)表了題為“TLR signaling adapter BCAP regulatesinflammatory to reparatory macrophage transition by promoting histonelactylation”的文章,即TLR信號適配器BCAP通過促進組蛋白乳化作用來調(diào)節(jié)炎癥性至修復(fù)性巨噬細胞的轉(zhuǎn)化。結(jié)果表明, BCAP(B-celladapter for PI3K)是一種關(guān)鍵的細胞內(nèi)在開關(guān),通過印記表觀遺傳變化來調(diào)節(jié)炎癥巨噬細胞向修復(fù)性巨噬細胞的轉(zhuǎn)變。
1、巨噬細胞內(nèi)在 BCAP 調(diào)節(jié)腸道炎癥和組織修復(fù)
通過將攜帶 BCAP 的 floxed等位基因的小鼠培育成攜帶 LyzM Cre 啟動子驅(qū)動的轉(zhuǎn)基因小鼠,產(chǎn)生了在巨噬細胞中缺乏 BCAP 的小鼠。這種雜交產(chǎn)生了巨噬細胞足夠(BCAPfl/fl;BCAPWT)或缺乏(BCAPfl/fl×LyzM-Cre;BCAPΔMφ)的 BCAP同窩仔。BCAPΔMΦ 和 BCAPWT 同窩仔鼠用 2.5% DSS 隨意處理,發(fā)現(xiàn) BCAPΔMφ 小鼠體重減輕更嚴重,結(jié)腸縮短,以及以隱窩消融和免疫細胞浸潤為標志的廣泛組織病理學(xué)(圖 1A-C)。這些結(jié)果證實,巨噬細胞中 BCAP 的特異性缺失導(dǎo)致了類似的 DSS 誘導(dǎo)的結(jié)腸炎易感性。
BCAPΔMΦ 小鼠在固有層(LP)中顯示出炎癥單核細胞(CD11b Ly6CHiLy6G-)的募集和浸潤增加(圖 1D)。通過流式細胞術(shù)分析了組織中的巨噬細胞,發(fā)現(xiàn)與 BCAPWT相比,BCAPΔMφ LP 中修復(fù)性巨噬細胞 (CD11b CD206 ) 的百分比和CD206 (Mrc1) 的表達降低(圖 1F 和 G)。這些數(shù)據(jù)表明BCAP 的缺失會對結(jié)腸組織中修復(fù)性巨噬細胞的存在產(chǎn)生負面影響。
使用腸道組織修復(fù)模型,小鼠用 2.5% DSS 治療 7 天,然后再進行 9 天的恢復(fù)階段(圖 1H),發(fā)現(xiàn)BCAPΔMφ 小鼠在第 8 天時比其BCAPWT 同窩小鼠的體重顯著減輕了更多,并且在第 15 天時無法從這種體重減輕中恢復(fù)(圖 1I)。此外,85% 的 BCAPΔMφ小鼠在第 16 天死于疾?。▓D 1J),表明它們無法解決結(jié)腸炎癥。在 4 天的恢復(fù)階段后殺死一組小鼠并收獲結(jié)腸,發(fā)現(xiàn)存活的 BCAPΔMφ小鼠仍然表現(xiàn)出結(jié)腸縮短,而與水處理的對照相比,它們的同窩對照能夠從 DSS 誘導(dǎo)的損傷中恢復(fù)(圖 1K)。此外,在恢復(fù)期后 BCAPΔMφ 小鼠的結(jié)腸中檢測到較低水平的 CD206 mRNA (Mrc1)(圖 1L)。組織學(xué)表明BCAPΔMφ 小鼠在恢復(fù)階段無法修復(fù)其腸道隱窩(圖 1M)。這些數(shù)據(jù)表明,巨噬細胞中的 BCAP 表達對于解決 DSS 誘導(dǎo)的結(jié)腸炎后的組織損傷至關(guān)重要。有大量證據(jù)表明,炎性巨噬細胞轉(zhuǎn)變?yōu)樾迯?fù)狀態(tài)以幫助組織修復(fù)和傷口愈合,說明巨噬細胞內(nèi)在 BCAP 可能在這一轉(zhuǎn)變中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
圖1 巨噬細胞內(nèi)在 BCAP 調(diào)節(jié)腸道炎癥和組織修復(fù)
2、BCAP 的缺失導(dǎo)致巨噬細胞從炎癥狀態(tài)到修復(fù)狀態(tài)的缺陷性轉(zhuǎn)變
作者從 WT 小鼠產(chǎn)生 BMDMs 并用 LPS 脈沖它們 3 小時,徹底洗掉多余的配體,然后評估基因轉(zhuǎn)錄如何隨時間變化(圖 2A)。正如預(yù)期的那樣,緊隨 LPS 脈沖之后,WT BMDMs 上調(diào)炎性細胞因子 Il12b(圖 2B)。然而,在去除 LPS 后,Il12b的產(chǎn)生隨著時間的推移而減弱(圖 2B)。反映炎性細胞因子的這種下調(diào),WT BMDM 開始上調(diào)修復(fù)基因,例如 Arg1、Klf4 和 Mmp9(圖 2C)。盡管是在更長的時間尺度上,作者在DSS 模型中觀察到的體內(nèi)巨噬細胞行為的基因表達表型的轉(zhuǎn)變(圖 1L)。熱滅活 (HK) 大腸桿菌也用于評估這種從炎癥到修復(fù)性巨噬細胞的轉(zhuǎn)變,因為它激活了廣泛的TLR 和 PRR,并且不需要洗滌以去除配體,因為細菌通過吞噬作用被巨噬細胞自然清除(圖 2A)。再次發(fā)現(xiàn)了類似的雙峰趨勢,其中 BMDM 首先上調(diào)炎癥基因,然后轉(zhuǎn)向修復(fù)基因(圖 2D 和 E)。作者還發(fā)現(xiàn) BCAP-/-BMDM 在 3 小時 LPS 脈沖后在轉(zhuǎn)錄物和蛋白質(zhì)水平上產(chǎn)生的 IL-12 比 WT BMDM 多(圖2C)。BCAP-/- BMDM 表現(xiàn)出持續(xù)產(chǎn)生炎性細胞因子,因為它們在去除 LPS 24 小時后仍在產(chǎn)生 Il12b 轉(zhuǎn)錄物(圖 2B)。雖然 WT BMDMs 能夠在去除 LPS 后上調(diào)修復(fù)基因,但作者發(fā)現(xiàn) BCAP-/- BMDMs 在這種修復(fù)轉(zhuǎn)變中存在缺陷,因為它們在去除 LPS 24 和 48 小時后產(chǎn)生的Arg1、Klf4 和 Mmp9顯著減少(圖 2C)。作者再次使用 HK E.coli 來評估 BCAP-/- BMDMs中的這種修復(fù)轉(zhuǎn)變,并發(fā)現(xiàn)了與以前類似的趨勢,其中BCAP-/- BMDMs 隨著時間的推移具有增強和持續(xù)的Il12b 產(chǎn)生并且未能有效地上調(diào)修復(fù)基因 Arg1 和Klf4(圖 2D 和 E)。這些體外數(shù)據(jù)表明,巨噬細胞內(nèi)在 BCAP 確實在各種炎癥刺激后的修復(fù)性巨噬細胞轉(zhuǎn)變中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
3、FOXO1 和 GSK3β 失活的缺乏有助于 BCAP 缺陷型巨噬細胞增強炎癥反應(yīng)
在對 WT BMDM 進行 LPS 刺激后,確實發(fā)現(xiàn)了 AKT、GSK3β 和 FOXO1 的誘導(dǎo)磷酸化,表明 TLR 信號傳導(dǎo)的適當負調(diào)節(jié)因子在該系統(tǒng)中是活躍的(圖 2F)。同時刺激的 BCAP-/- BMDM 顯示 AKT 的磷酸化顯著減少,這轉(zhuǎn)化為 FOXO1 和 GSK3β 的磷酸化減少,這意味著這些因子保持組成型活性并持續(xù)過度炎癥反應(yīng)(圖 2F)。BCAP-/- BMDMs 用 SB216763 (GSK3βi) 或 AS1842856 (FOXO1i) 預(yù)處理,并用 LPS 脈沖(圖 2A)。GSK3β和 FOXO1 的急性抑制顯著降低了 BCAP-/-BMDM 產(chǎn)生的 IL-12 和 IL-6,而對 WT BMDM 沒有很大影響(圖 2G)。當用另一種 GSK3β 抑制劑氯化鋰 (LiCl) 預(yù)處理 BCAP-/- BMDM 時,觀察到了相同的趨勢。這些數(shù)據(jù)表明 BCAP 通過參與 PI3K-AKT 通路和滅活 FOXO1 和 GSK3β 來抑制巨噬細胞反應(yīng)的炎癥階段。作者發(fā)現(xiàn)雖然 GSK3β 或 FOXO1 的抑制阻止了 BCAP-/- BMDM 中發(fā)現(xiàn)的炎癥升高(圖 2G),但它并沒有挽救這些 BMDM 維持修復(fù)基因程序的失?。▓D 2H)。綜上所述,這些數(shù)據(jù)表明,雖然在 BCAP-/- BMDMs 中發(fā)現(xiàn)的增強和持續(xù)的促炎反應(yīng)是由于未能參與適當?shù)呢撜{(diào)節(jié)途徑,但它們在進行修復(fù)過渡方面的缺陷可能是獨立機制的結(jié)果。
圖2 FOXO1 和 GSK3β 失活缺乏促進 BCAP 缺陷型巨噬細胞增強炎癥反應(yīng)
4、微生物刺激后最佳糖酵解需要BCAP
用 HK 大腸桿菌或 LPS 脈沖 WT 和 BCAP-/- BMDMs 3 小時(圖 2A)。在 Seahorse 平臺上使用糖酵解壓力測試測量了指定時間點的細胞外酸化率 (ECAR)。發(fā)現(xiàn)在去除 LPS 12 或 24 小時后,與 WT BMDM 相比,BCAP-/- BMDM 的 ECAR 顯著降低,表明它們的糖酵解減少(圖 3A 和 B),BCAP-/-BMDM 的糖酵解儲備也顯著減少(圖 3C)。與 ECAR 數(shù)據(jù)一致,BCAP-/- BMDM 表現(xiàn)出乙糖激酶-2 (Hk2) 和乳酸脫氫酶 A (Ldha) 的表達降低,這是糖酵解的兩個關(guān)鍵介質(zhì)(圖 3D)。與 Ldha 表達降低相關(guān),在去除 LPS 12 和 24 小時后,BCAP-/- BMDM 產(chǎn)生的乳酸明顯少于 WT BMDM(圖 3E)。這些數(shù)據(jù)表明,BCAP 促進了TLR 連接后巨噬細胞的代謝重編程,特別是通過增強糖酵解和乳酸產(chǎn)生。
圖3 微生物刺激后最佳糖酵解需要BCAP
5、BCAP 通過組蛋白乳酸化促進修復(fù)性巨噬細胞轉(zhuǎn)化
LPS 去除 12 至 24 小時后,作者從 WT 和BCAP-/- BMDM 中分離組蛋白,并通過蛋白質(zhì)印跡測量組蛋白乳酸化,發(fā)現(xiàn) BCAP是巨噬細胞在 LPS 脈沖后有效乳酸化組蛋白所必需的。添加外源性乳酸鈉 (NaLa) 促進組蛋白乳酸化,作者發(fā)現(xiàn) BCAP-/-BMDMs 在用 NaLa 培養(yǎng)后確實能夠挽救組蛋白乳酸化(圖4A)。通過監(jiān)測在 NaLa 存在下去除 LPS 12 至 48 小時后修復(fù)基因的表達,發(fā)現(xiàn) BCAP-/- BMDM 現(xiàn)在能夠?qū)⑵浔磉_上調(diào)至與Arg1 在12 小時和Klf4到 48 小時的WT BMDM 相當?shù)乃剑▓D 4B)。響應(yīng) HK E. coli 的刺激,BCAP-/- BMDMs 同樣無法有效地使組蛋白乳酸化或上調(diào)修復(fù)性巨噬細胞基因(圖 4C 和 D),但這可以通過添加NaLa 來挽救。這些數(shù)據(jù)表明,BCAP 是將 TLR 信號與巨噬細胞中最佳有氧糖酵解聯(lián)系起來的上游接頭,產(chǎn)生的乳酸是促進修復(fù)基因表達的適當組蛋白乳酸化所必需的,從而促進修復(fù)巨噬細胞轉(zhuǎn)變。
圖4 BCAP 通過組蛋白乳酸化促進修復(fù)性巨噬細胞轉(zhuǎn)化
基于本團隊獲取的2021年度國自然醫(yī)學(xué)部2371條中標項目(面上、青年、地區(qū)項目、優(yōu)青)分析,結(jié)合國自然醫(yī)學(xué)部今年共資助項目大概為10,000個左右,那么小編對于國自熱點的中標數(shù)統(tǒng)計如下:
熱點 | 2021年醫(yī)學(xué)部中標數(shù) | 熱點 | 2021年醫(yī)學(xué)部中標數(shù) | |
免疫調(diào)節(jié) | 852 | 缺氧、低氧 | 211 | |
血管生成、重構(gòu) | 531 | 泛素化 | 186 | |
線粒體 | 485 | 乙?;?/span> | 135 | |
外泌體 | 430 | 細胞焦亡 | 118 | |
miRNA | 413 | 代謝重編程 | 118 | |
干細胞 | 371 | 單細胞 | 105 | |
lncRNA | 371 | 內(nèi)質(zhì)網(wǎng) | 76 | |
細胞自噬 | 358 | 炎性小體 | 76 | |
腸道菌群 | 312 | 類器官 | 46 | |
circRNA | 287 | 超級增強子 | 25 | |
m6A m5C m7G | 270 | 相分離 | 21 | |
鐵死亡 | 257 | 乳酸化修飾 | 21 | |
轉(zhuǎn)錄調(diào)控 | 232 | 遷移體 | 4 |
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