研究揭示代謝分子肌酸的免疫調節功能

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《Immunity》雜志在線發表了題為“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-精氨酸的下游代謝產物肌酸能夠抑制IFN-γ介導的巨噬細胞活化[以下簡稱M(IFN-γ)]，并同時可以促進IL-4介導的巨噬細胞活化[以下簡稱M(IL-4)]。

探索免疫應答與代謝通路之間的關系是近幾年很火熱的研究領域，在巨噬細胞中，由代謝酶iNOS和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L-精氨酸的另外一條代謝途徑—肌酸代謝在巨噬細胞中的功能鮮為人知，于是，課題組研究人員選取肌酸代謝作為研究靶點，旨在闡明肌酸是否也對巨噬細胞活化有關鍵作用。

在課題研究初期，尋求“表型”是免疫學研究的重中之重，一個有意義的表型決定著這個課題的研究質量。課題組研究人員在一開始也陷入尋找肌酸在巨噬細胞中有何功能的困境當中。在長時間嘗試了各種體內和體外的實驗后，他們發現在生理狀態下，巨噬細胞缺少肌酸并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介導的下游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么功能，然而研究人員并沒有放棄對肌酸功能的探索，直到有一天嘗試了IFN-γ的刺激后，他們驚奇地發現肌酸缺失大大活化了巨噬細胞中IFN-γ介導的下游基因表達，如Nos2和Cxcl9等。并且體內實驗也驗證了肌酸在髓系細胞中缺失導致iNOS和CXCL9的表達顯著提升，從而提高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，并驅使研究人員進一步揭示肌酸是如何抑制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并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，研究人員最后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，從而抑制下游基因表達。經過以上一番探索，肌酸在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后，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并促進其表達，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)并提升M(IL-4)活化，可以作為一個潛在的靶點用于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。對肌酸功能的探索讓人們能夠更加全面地理解L-精氨酸在巨噬細胞中的代謝和功能，也揭示出了轉運蛋白在免疫細胞中發揮著的重要作用，為巨噬細胞免疫代謝的研究打開了一扇新的窗戶。

胡小玉課題組長期以來一直致力于研究巨噬細胞活化的分子機制，之前的研究主要集中在巨噬細胞內的免疫信號轉導，如Notch信號通路與巨噬細胞活化的關系、巨噬細胞活化的轉錄調控等。近些年來，胡小玉課題組發展了免疫代謝的新研究方向，旨在揭示機體免疫應答過程中的代謝調控機制，之前已在《Cell Host & Microbe》等雜志中揭示了腸道上皮細胞通過營養感知的代謝信號調控宿主的抗菌能力，本論文的工作也體現了胡小玉課題組在巨噬細胞免疫代謝方向的研究已經走向成熟。