巨噬细胞糖代谢重编程的非肿瘤研究思路，这篇Cell子刊值得 ...

溜达在路上的老狼

来源：小张聊科研平台的“ 课题指南针”公众号，微信公众号搜索“ 课题指南针”即可关注/扫描关注见文末
#国自然# #科研热点# #课题思路# #糖代谢# #代谢重编程#
编者按：
自从糖代谢重编程发现以来，大量研究集中在肿瘤疾病，尽管研究的细胞类型从肿瘤细胞拓展到了巨噬细胞、T细胞等免疫细胞，但非肿瘤中的代谢重编程研究还是比较少。因此，这里为大家介绍一篇近期发表的脓毒症中代谢重编程研究思路，希望广大做非肿瘤研究的小伙伴能得到启发。
敲除 甲硫氨酸亚砜还原酶B1 （methionine sulfoxide reductase B1， MsrB1 ）后， 活性氧 （reactive oxygen species， ROS ）导致磷酸甘油醛脱氢酶（reduced glyceraldehyde-phosphate dehydrogenase， GAPDH ）聚集恶化，随后，葡萄糖调节异常，导致NAD+/NADH比率增长且线粒体ROS积累，从而促进炎症小体激活和IL-1β分泌。在动物实验中， MsrB1 敲除 的小鼠呈现 高炎症反应 ，且对 脓毒症 高度敏感。上述总结于文章“MsrB1-regulated GAPDH oxidation plays programmatic roles in shaping metabolic and inflammatory signatures during macrophage activation”，发表于杂志《Cell Reports》（2022年IF=9.995，JCR分区=Q1）。今天跟大家分享一下作者是如何展开研究，以及如何探索 治疗过度炎症反应的疾病（如脓毒症） 。



该研究着重强调：
1）MsrB1调控促炎性巨噬细胞的激活；
2）MsrB1调节ROS诱导GAPDH甲硫氨酸氧化；
3）MsrB1敲除导致GAPDH聚集，从而促进炎症小体激活；
4）在脓毒症模型中，缺乏MsrB1使高炎症反应恶化。



研究摘要
1.小鼠缺乏MsrB1后，对葡萄糖和丙酮酸的利用发生改变。
2.甲硫氨酸残基（M44）在甘油醛3-磷酸脱氢酶上持续氧化，从而诱导GAPDH聚集和炎症小体激活，随后白细胞介素（IL）-1β分泌增加。
3.基因敲除MsrB1的小鼠对脂多糖（LPS）诱导的脓毒症的敏感性提高。
4.蛋白质的氧化还原平衡控制巨噬细胞的代谢紊乱特征，从而调节其功能。
研究内容
1.MsrB1缺失使甲硫氨酸氧化还原稳态失调，从而改变葡萄糖代谢
图A&B的结果显示，通过减少胞内蛋白的MetRO含量，MsrB1调控巨噬细胞激活的氧化还原平衡，表明LPS/IFN-γ刺激MsrB1敲除（knockout，KO）的骨髓来源巨噬细胞（bone-marrow-derived macrophage，BMDM）可用于研究甲硫氨酸氧化还原稳态如何控制促炎性巨噬细胞活化。此外，对比于WT（wide-type，野生型）巨噬细胞，MsrB1-KO巨噬细胞10种代谢物含量降低，且 1种代谢物含量升高（图C）。图谱学（topographical）通路分析显示，MsrB1-KO巨噬细胞中改变最为明显的是糖酵解（例如丙酮酸和乳酸）（图D）。因此，MsrB1-KO巨噬细胞中功能失调的氧化还原控制与葡萄糖代谢紧密相关。



2.LPS/IFN-γ刺激的MsrB1-KO BMDMs展现对能量来源利用的改变
糖酵解代谢物的靶向测定显示，MsrB1-KO中糖酵解的丙糖代谢产物（3-磷酸甘油酸和乳酸）显著减少，但不影响葡萄糖和己糖代谢物（葡萄糖-6-磷酸和果糖-6-磷酸）（图A）。因此，缺乏MsrB1时，糖酵解的下游可能会被钝化。此外，应用均匀标记的13C-葡萄糖进行稳定性同位素示踪分析（图B），其结果显示：MsrB1-KO导致同位素富集（isotopic enrichment），3-磷酸甘油酸和丙酮酸显著降低（图C）。对比于LPS/IFN-γ刺激的WT巨噬细胞，LPS/IFN-γ刺激的MsrB1-KO巨噬细胞展现更高水平的丙酮酸M+3同位素，以及柠檬酸和琥珀酸的M+2同位素（图D）。MsrB1-KO与部分代谢物明显减少显著相关（图E）。综上所述，MsrB1的敲除改变LPS/IFN-γ刺激的巨噬细胞的燃料利用率。



3.GAPDH活性降低阻止LPS/IFN-γ刺激的MsrB1-KO BMDMs利用葡萄糖
MsrB1-KO显著减缓巨噬细胞的糖酵解，并降低最大糖酵解容量（图A&B）。另外，己糖激酶（HK）、磷酸果糖激酶（PFK）和甘油酸盐3-磷酸脱氢酶（GAPDH）是糖酵解途径中关键的限速代谢酶（图C）。MsrB1-KO不改变HK和PFK，但显著降低GAPDH的活力（图D）。因此，促炎巨噬细胞中的MsrB1-KO与糖酵解功能受损和GAPDH活性降低显著相关，其暗示MsrB1和甲硫氨酸氧化还原状态通过调控GAPDH活力而控制糖酵解。



4.GAPDH聚集与促炎MsrB1-KO BMDM中的炎性体激活和分泌IL-1β紧密相关
MsrB1-KO与GAPDH聚集增多显著关联（图A），表明在促炎巨噬细胞激活过程中，MsrB1保护GAPDH免受ROS诱导的聚集。相比于WT小鼠，从注射LPS的MsrB1-KO小鼠中分离出的腹膜巨噬细胞显示更多的GAPDH聚集（图B）。NAD+/NADH比率和线粒体ROS在MsrB1-KO促炎性巨噬细胞中也显著增加（图C&D）。不仅如此，MsrB1-KO趋向于促进产生IL-1β和裂解半胱胺酸天冬氨酸酶-1（Caspase-1）（图E）。另外，NAC治疗以剂量依赖性的方式，改善促炎性MsrB1-KO巨噬细胞中IL-1β的分泌异常增加（图F）。因此，促炎性MsrB1-KO巨噬细胞的糖酵解受损诱导GAPDH功能失调且促进线粒体ROS产生。



5.激活巨噬细胞时MsrB1调控GAPDH甲硫氨酸氧化并调节炎性反应
缺乏重组MsrB1蛋白时，使用过氧化氢治疗重组GAPDH显著增加GAPDH聚集；然而，当MsrB1不缺乏时，该反应被抑制（图A&B）。当MsrB1-KO细胞内缺乏MrsB1时，GAPDH WT表达与GAPDH聚集显著相关，但GAPDH M44L不聚集于细胞中（图D）。因此，MsrB1直接抑制巨噬细胞中GAPDH的氧化和聚集。此外，GAPDH过表达/缺失的实验显示，MsrB1调节GAPDH M44氧化反应对炎症小体活化至关重要：转染外源性GAPDH WT后，LPS处理的BMDM炎症小体标记物（即成熟的IL-1β和裂解的caspase）上调（图E）。



6.对比于WT小鼠，MsrB1-KO小鼠易受LPS诱导的脓毒症损害
相比于WT小鼠，MsrB1-KO小鼠体重下降更加严重，且死亡率明显提高（图A&B）。另外，MsrB1-KO与血清内IL-1β浓度升高显著相关（图C）。此外，MsrB1-KO与脾脏中的巨噬细胞高表达IL-1β显著相关（图D）。综合所述，通过调控GAPDH甲硫氨酸氧化，MsrB1控制全身炎症反应，影响促炎巨噬细胞的氧化还原状态。



研究的结论和缺陷
研究结论：
LPS产生的胞内ROS氧化GAPDH中的关键甲硫氨酸（M44）：
1）导致GAPDH分子聚集并失去酶活性；
2）通过异常调节糖酵解增加NAD+/NADH比率和线粒体ROS，反过来激活炎症小体及其下游分泌的IL-1β。
因此，MsrB1-GAPDH轴控制巨噬细胞激活，从而调节全身炎症反应。扰乱MsrB1-GAPDH轴会诱导巨噬细胞过度的炎性反应，并增加对ROS介导的疾病（如脓毒症）的敏感性。此外，尽管用LPS建立巨噬细胞的代谢图谱来决定巨噬细胞的氧化还原状态及巨噬细胞转化为促炎巨噬细胞，但可以将氧化还原状态的改变反馈至巨噬细胞的代谢途径并重新编程。
但此研究存在一些缺陷，包括：
1）促炎MsrB1-KO巨噬细胞的代谢组学分析显示了其他的MsrB1靶点（包括半胱氨酸），但未研究这些靶点是否影响MsrB1调控巨噬细胞的代谢过程及细胞的活化和炎症；
2）M44在GAPDH调控MsrB1上起主导作用，但研究未关注MsrB1识别位点44处Met-R-O的生化机制和结构机制；
3）初步研究显示MsrB1的缺失会改变ROS信号，但需要对这部分的问题进一步地研究。
文章小评
此文章突出研究的 MsrB1与各种疾病的发生紧密相关。例如，细胞内异常的ROS水平与众多疾病（如癌症、神经紊乱和衰老）的发生显著相关，而Msr酶（即MsrA和MsrB）明显地减少蛋白质中的氧化甲硫氨酸残基，导致ROS水平异常。然而，尽管作者已应用细胞实验和动物实验证明MsrB1影响脓毒症发病，但本文章还未进行临床试验以验证使用相关药物有利于治疗疾病，恢复患者的健康和生活。不仅如此，除脓毒症外，进一步探讨MsrB1与其他高炎症疾病的相关性也是至关重要的。
原文链接：

神不在的世界

为了三千积分！

亿元户

元芳你怎么看？

黄辉泓诚信消防

LZ是天才，坚定完毕