代謝體學 生物化學 科學報導

巨噬細胞主導老化組織 NAD 的減少與發炎反應

老化是一個生物體必經的過程。對於老化我們都有經驗──由烏黑轉為銀白的頭髮、從光亮的皮膚深化的皺紋、以及不敵老化而去的親人。老化不只是單一細胞的退場,更是系統性衰弱的現象。作為人體最精密的防禦系統,免疫系統的失衡理所當然是老化的一部分,免疫系統可能因為老化減弱,也會因為失去平衡而促進老化。老化的組織中經常可以發現代謝物的組成改變,也可以觀察到緩慢而長期的發炎作用。然而,我們目前對於老化組織中的代謝物與免疫系統的交互作用所知較少,需要更多系統性的老化研究。

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從體外實驗了解代謝對發炎的影響

來自美國 Buck Institute 的 Dr. Eric Verdin 團隊 [1] 發表了有關老化脂肪組織中代謝物組成與發炎之間的關係。菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸 (nicotinamide adenine dinucleotide; NAD) 是細胞中最常見的輔酶與原料之一,可見於粒線體中擔任氫離子接受者與蛋白質修飾原料等。在以往的研究中可以發現老化脂肪組織經常伴隨 NAD 的減少,也能發現 NAD 水解酶的 CD38 的表現量上升。Dr. Eric Verdin 團隊發現在體外以骨髓誘導巨噬細胞 (bone marrow-derived macrophage, BMDM) 為模式實驗時,當巨噬細胞被脂多醣 (lipopolysaccharide, LPS) 刺激為發炎狀態 (M1) 時會有相較於未刺激 (M0) 或修復狀態 (M2) 更高的水解酶 CD38 的表現量。而這個現象也反應在胞內代謝物的組成,發炎狀態的巨噬細胞相較於修復狀態 M2 有較少的 NAD 及更多分解後的產物菸鹼醯胺 (nicotinamide; NAM)。然而相較未刺激 (M0) 的組別而言,發炎並未使巨噬細胞降低 NAD 的總量,顯示發炎中的巨噬細胞可能正積極合成 NAD 以維持平衡。

圖片說明:NAD 的回收途徑 圖片來源:https://doi.org/10.1038/s42255-020-00305-3 ( Fig. 2a )

NAD 在細胞中的來源可以分為從頭合成 (de novo synthesis) 與回收 (salvage pathway),前者由色胺酸 (tryptophan) 合成;後者透過回收菸鹼醯胺 (NAM) 並經由菸鹼胺磷酸核糖基轉移酶 (nicotinamide phosphoribosyltransferase; NAMPT ) 催化為菸鹼醯胺單核苷酸 (nicotinamide mononucleotide; NMN) 後再製成 NAD。Dr. Eric Verdin 團隊藉由分析發炎中巨噬細胞的基因表現推測 M1 巨噬細胞主要透過 NAMPT 途徑回收合成 NAD,而質譜儀的分析也進一步證明了這個方向。當發炎的巨噬細胞被藥物 (FK866) 阻斷回收途徑的 NAMPT 時,可以觀測到胞內 NAD 含量的減少,顯示該細胞透過加速回收分解後產物 NAM 以維持胞內的 NAD 平衡。

Dr. Eric Verdin 團隊進一步探討 NAD 與 NAM 的平衡對於巨噬細胞的發炎功能影響,透過阻斷將 NAM 轉換為 NMN 的菸鹼胺磷酸核糖基轉移酶 (NAMPT),會大幅降低巨噬細胞的無氧醣解作用 (ECAR) ,而補充 NMN 時可以恢復這個狀況。這結果顯示 NAMPT 的回收途徑不只影響巨噬細胞中的 NAD 平衡,更會影響巨噬細胞中的能量生產。這個結果也呼應基因表現的情況,當 NAMPT 的回收途徑被阻斷,受到發炎刺激的巨噬細胞便無法正常表現發炎相關的蛋白質。而補充 NMN 能夠再次恢復巨噬細胞的發炎能力。實驗顯示在所有消耗 NAD 的膜蛋白中,CD38 的表現量最為重要,CD38 的大量表現會使得發炎中的巨噬細胞胞內及胞外的 NAD 總量快速減少。另外,直接補充 NMN 時可以改善這個狀況。顯示 NAD 回收途徑的作用除了代謝產物的平衡外,更會影響巨噬細胞表現發炎相關基因的能力

老化、代謝、發炎

Dr. Eric Verdin 團隊採樣老年及年輕小鼠附睪中的白色脂肪組織,測量後發現老化的組織中 NAD 含量少了年輕組織的一半。同時該組織中也能觀察到較多的巨噬細胞存在,於是研究團隊懷疑 NAD 的減少是否與巨噬細胞有關。實驗中也證實老化組織中較傾向發炎狀態,並表現出衰老相關的分泌性蛋白 (senescence-associated secretory phenotype; SASP),會吸引並刺激常駐性巨噬細胞的增生與發炎反應。分析單細胞 RNA 定序資料後發現老年小鼠中,脂肪組織中的常駐性巨噬細胞 (tissue-resident macropahge) 的總量變多,而且有較高 CD38 的表現量,同時使 CD38 表現而降低環境中的 NAD 含量。有趣的是,相較於單核球分化的巨噬細胞,SASP 似乎更加促使常駐性巨噬細胞的增生。

為了證明老化組織與發炎的直接關係,研究團隊給予小鼠 doxorubicin (一種化療用藥,又稱小紅莓,會造成細胞 DNA 損傷與老化) 刺激小鼠細胞老化損傷,再以精準的方式殺死老化與損傷的細胞,並觀察前後的變化。結果顯示,當小鼠的肝臟受到老化與損傷時,巨噬細胞發炎的狀況與 CD38 的表現量增加,但當老化的細胞被殺死後,發炎的狀況會被逆轉,提示了衰老組織與發炎的強烈連結。當 CD38 被敲除後,受到 LPS 刺激發炎的小鼠組織中也能保有相等的 NAD 含量,不受發炎影響而降低。

總結而言,Dr. Eric Verdin 團隊對老化組織中的分泌性蛋白如何影響組織中 NAD 的含量減少提供了新觀點,而且闡述了老化組織、代謝環境、巨噬細胞的慢性發炎,三者之間的交互關係。此外,亦有研究所指出組織中的 NAD 能促進細胞 DNA 的修復 [2],而 NAD 的減少也會造成細胞粒線體的功能下降 [3]。有關於 NAD 的減少與老化組織的互動則仰賴更多的研究加入。

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圖片說明:老化組織促進 NAD 的減少與調節巨噬細胞發炎反應示意 圖片來源:https://doi.org/10.1038/s42255-020-00305-3

參考文獻:

  1. Covarrubias, A. J., Kale, A., Perrone, R., Lopez-Dominguez, J. A., Pisco, A. O., Kasler, H. G., … & Verdin, E. (2020). Senescent cells promote tissue NAD+ decline during ageing via the activation of CD38+ macrophages. Nature metabolism, 2(11), 1265-1283. https://doi.org/10.1038/s42255-020-00305-3
  2. Wilk, A., Hayat, F., Cunningham, R., Li, J., Garavaglia, S., Zamani, L., … & Sobol, R. W. (2020). Extracellular NAD+ enhances PARP-dependent DNA repair capacity independently of CD73 activity. Scientific reports, 10(1), 1-21. https://doi.org/10.1038/s41598-020-57506-9
  3. Camacho-Pereira, J., Tarragó, M. G., Chini, C. C., Nin, V., Escande, C., Warner, G. M., … & Chini, E. N. (2016). CD38 dictates age-related NAD decline and mitochondrial dysfunction through an SIRT3-dependent mechanism. Cell metabolism, 23(6), 1127-1139. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2016.05.006

撰文 | 蔡宗霖
審稿 | 陳帝亢

About the author

蔡宗霖

蔡宗霖

畢業於長庚大學生物醫學系,目前就讀陽明大學微生物與免疫學研究所碩士班,主要探討胸腺巨噬細胞與其代謝途徑在免疫恆定中扮演的角色。曾參與國際合成生物學競賽(iGEM),並於2018年前往廈門大學The Beulter Institute進修免疫學與遺傳學。一直相信自己學習到的,就有跟其他人分享的義務。希望在Investigator中認識更多人,一起創造生活刺激!

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