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#NEWS 組蛋白乳酸化-推動發炎性巨噬細胞趨向組織修復性

代謝是細胞獲取能量、合成生命所需材料不可或缺的一環。代謝的產物也可以作為訊號傳遞分子,或是作為蛋白質修飾的材料,讓細胞根據營養狀態調節基因表現。就在本(十)月二十三日,芝加哥大學的 Dr. Yingming Zhao 團隊在 Nature 上發表了有關代謝與基因調控的重要研究[1]。透過高效液相層析儀-質譜儀 (HPLC-MS/MS) 偵測,首次在細胞株 (MCF-7) 發現新的組蛋白修飾 (histone modification) --在離胺酸 (lysine) 上的乳酸化修飾 (lysine lactylation, Kla) [註一],並發現乳酸囤積促進的組蛋白乳酸化修飾是巨噬細胞功能轉換的機制之一。

註一:乳酸 (lactate) 是細胞無氧呼吸的代謝產物。其來源自糖解作用 (glycolysis) 後的丙酮酸 (pyruvate)。丙酮酸若不進入氧化磷酸化循環,將可能代謝成為乳酸。

 糖解作用產生是乳酸化修飾的來源

  研究團隊在測得組蛋白乳酸化訊號後,透過突變組蛋白、免疫墨點法、同位素 (13C) 乳糖標定,確認組蛋白上的乳酸化修飾是由乳糖代謝後衍伸的。再進一步透過抑制糖解作用、抑制丙酮酸轉換為乳酸、同位素葡萄糖標定,確認乳酸化修飾的乳酸來自糖解作用。同時發現抑制氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 將提高組蛋白乳酸化修飾的程度。由於近年的研究中,巨噬細胞 (macrophage) 呈現鮮明的「代謝轉換-功能轉換」的緊密互動。在知道組蛋白乳酸化、乳酸堆積與糖解作用呈現正相關後,研究團隊後續針對組蛋白乳酸化在巨噬細胞的生理意義進行研究。 

巨噬細胞的代謝是功能轉換的關鍵

   巨噬細胞 (macrophage) 是先天免疫系統的一員,往往是體內遭受病原體入侵時的第一線防禦,擅長以吞噬作用清除病原體或是自體細胞,也因此巨噬細胞擅長於引起發炎反應 (inflammation)。當病原體被清除,發炎反應退去,隨之而來的是傷口處的組織修復。此時巨噬細胞的角色搖身一變為修復者,透過刺激傷口周邊的幹細胞增生以修補傷口。

  巨噬細胞的功能轉換備受關注,由促進發炎 (pro-inflammatory) 轉為非發炎性 (anti-inflammatory) 修補角色的機制是研究的焦點。作為新興的研究領域,免疫代謝學 (immunometabolism) 約從二○一二年後對巨噬細胞的代謝進行深入研究。已知發炎性的巨噬細胞更喜歡使用無氧的糖解作用,而轉化為非發炎性後,使用更多的氧化磷酸化與脂肪酸氧化 (fatty acid oxidation) 獲取能量[2]。隨著研究深化,能量獲取過程中的代謝物或衍伸物陸續被發現與各級細胞機制互動,如氧化磷酸化中的 succinate 被發現能促進細胞內氧化壓力與發炎[3]、itaconate 能對抗氧化壓力並抑制發炎[4-6]、也有代謝物成為蛋白質修飾的材料而間接影響發炎(見延伸閱讀)[7]。代謝反應作為最被保留 (conserve) 的細胞機制,能夠與蛋白質製造、訊息調控、能量平衡、壓力適應、表觀遺傳等機制互動。

延伸閱讀 |GAPDH 丙二醯化-不只是 Internal Control-巨噬細胞促進發炎的關鍵

 組蛋白乳酸化轉化巨噬細胞為非發炎性傾向

  為了建立可靠方便的巨噬細胞研究模式,相關研究一般透過刺激骨髓造血幹細胞成為巨噬細胞 (bone marrow-derived macrophage; M0),並經過脂多醣 (lipopolysacharride, LPS) 及干擾素 (IFNγ) 刺激為發炎傾向的巨噬細胞 (M1) 以模擬巨噬細胞對抗病原體的狀態。被刺激成為 M1 的巨噬細胞會開始發炎程序,大量表現發炎性的細胞激素,同時大量使用糖解作用以求快速獲得能量。然而,在各個時間點的 RNA 定序顯示發炎相關的基因表現量在刺激十六小時至二十四小時後逐步下降,而抑制發炎性的基因表現量逐漸上升。這與透過染色質免疫沉澱 (chromatin immunoprecipitation) 組蛋白乳酸化的基因結果相符,抑制發炎與促進修補的基因在刺激十六小時後被乳酸化的程度逐步上升。這些結果不但顯示組蛋白乳酸化能夠促進該處基因的表現量,而且能夠解釋巨噬細胞如何進行功能轉換。發炎性的巨噬細胞在大量使用糖解作用後逐漸累積乳酸,而使抑制發炎性基因的組蛋白乳酸化,進而促進表現該基因,推動巨噬細胞由發炎性 (M1) 轉向非發炎性 (M2)。

 延伸閱讀|藥物競爭—巨噬細胞代謝物協助癌細胞抵抗化療

 乳酸化是新發現的組蛋白修飾

  透過無細胞系統 (cell-free system) ,他們進一步驗證了乳酸化能修飾 H3 及 H4 組蛋白,並促進該處基因的表現量。在組蛋白上的離胺酸突變亦抑制乳酸化並消除促進轉錄的功能。透過生化實驗,他們在不同的細胞中都能觀察到組蛋白乳酸化,且證實新發現的乳酸化是能促進基因表現的組蛋白修飾。

  總結而言,本篇研究精彩的闡述了代謝、表觀遺傳學、免疫功能之間的連接,新的組蛋白修飾的發現勢必引發相關研究的熱潮,將會有更多相關研究出現。對表觀遺傳學角度而言,組蛋白乳酸化如何進行修飾?什麼酵素催化該修飾?乳酸化如何被調節?乳酸化如何促進轉錄?相關的問題都有待深入研究。而有關巨噬細胞研究而言,本篇研究可能解釋了一直以來被懷疑有調節功能的乳酸背後的機制,更再次強調了代謝物能與各種不同生化反應互動並作為反應原料的觀點。

圖片說明:巨噬細胞被病原體刺激後,開始分泌發炎性細胞激素,同時透過糖解作用大量獲取能量。經過時間累積的乳酸導致組蛋白乳酸化,開始促進修復性基因轉錄,整體巨噬細胞慢慢由發炎性轉為修復性。圖片來源:蔡宗霖 繪製 CC2.0

參考資料:

  1. Zhang, D., Tang, Z., Huang, H., Zhou, G., Cui, C., Weng, Y., . . . Perez-Neut, M. (2019). Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature, 574(7779), 575-580. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1678-1
  2. Van den Bossche, J., O’Neill, L. A., & Menon, D. (2017). Macrophage immunometabolism: where are we (going)? Trends in immunology, 38(6), 395-406. https://doi.org/10.1016/j.it.2017.03.001
  3. Tannahill, G., Curtis, A., Adamik, J., Palsson-McDermott, E., McGettrick, A., Goel, G., . . . Foley, N. (2013). Succinate is an inflammatory signal that induces IL-1β through HIF-1α. Nature, 496(7444), 238. https://doi.org/10.1038/nature11986
  4. Lampropoulou, V., Sergushichev, A., Bambouskova, M., Nair, S., Vincent, E. E., Loginicheva, E., . . . Griss, T. (2016). Itaconate links inhibition of succinate dehydrogenase with macrophage metabolic remodeling and regulation of inflammation. Cell metabolism, 24(1), 158-166. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2016.06.004
  5. Mills, E. L., Ryan, D. G., Prag, H. A., Dikovskaya, D., Menon, D., Zaslona, Z., . . . Hams, E. (2018). Itaconate is an anti-inflammatory metabolite that activates Nrf2 via alkylation of KEAP1. Nature, 556(7699), 113. https://doi.org/10.1038/nature25986
  6. O’Neill, L. A., & Artyomov, M. N. (2019). Itaconate: the poster child of metabolic reprogramming in macrophage function. Nature Reviews Immunology, 19(5), 273-281. https://doi.org/10.1038/s41577-019-0128-5
  7. Galván-Peña, S., Carroll, R. G., Newman, C., Hinchy, E. C., Palsson-McDermott, E., Robinson, E. K., . . . Haneklaus, M. (2019). Malonylation of GAPDH is an inflammatory signal in macrophages. Nature communications, 10(1), 338. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08187-6

撰文|蔡宗霖
審稿|陳恩浩

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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