免疫反应基因1/ 衣康酸在调控巨噬细胞炎症中的研究进展①

2021-11-26朱宇琪于英华

中国免疫学杂志 2021年21期

朱宇琪于英华潘伟

（江苏省免疫与代谢重点实验室，徐州医科大学病原生物学与免疫学教研室，徐州221004）

免疫代谢学是一门基于免疫学与代谢学交叉融合衍生的新兴学科，近年来已成为免疫学界的研究焦点。研究发现，诸如糖酵解、三羧酸循环（tricar⁃boxylic acid cycle，TCA）以及脂肪酸氧化等代谢通路在决定免疫细胞表型分化及功能效应中发挥重要作用［1-2］。一些代谢中间产物可对免疫细胞进行代谢及表观遗传学重编程，以满足免疫细胞发挥不同功能的能量需求。比如，巨噬细胞（macrophage，Mφ）和树突状细胞在暴露于炎性刺激条件下，会加强生物合成的调节，以满足细胞活化所需能量［3］；而琥珀酸等代谢产物累积也能调控免疫反应［4］。鉴于免疫细胞在疾病发生发展中的重要作用，而调节免疫细胞代谢可调控宿主免疫应答，故通过代谢物重塑免疫功能，可作为疾病干预策略研究的新思路［5］。

免疫反应基因1（immune responsive gene 1，IRG1），可编码TCA 循环的一种代谢酶—顺乌头酸脱羧酶（cis-aconitate decarboxylase，CAD），后者可催化顺乌头酸脱羧产生衣康酸［6］。而较为熟知的是，衣康酸具有较强的杀菌及抗病毒效应［7-9］。这是因为衣康酸可抑制乙醛酸分流中的关键酶异柠檬酸裂解酶（isocitrate lyase，ICL）的表达及活性，阻碍细菌在葡萄糖缺乏条件下利用其他碳源进行生物合成能量代谢；此外，衣康酸还可以通过抑制甲基异柠檬酸裂解酶（methylisocitrate lyase，MCL）的活性影响细胞代谢途径，从而抑制细菌利用MCL 催化丙酰辅酶A解毒［10-12］。

免疫代谢学的兴起，极大地拓展了IRG1/衣康酸在免疫调节及疾病中的作用认识。研究发现，IRG1/衣康酸对TCA 中琥珀酸脱氢酶（succinate de⁃hydrogenase，SDH）的调控在Mφ 炎症发生中处于关键地位。当IRG1/衣康酸下调时，SDH 氧化累积的琥珀酸会进一步诱导活性氧（reactive oxygen spe⁃cies，ROS）生成及促炎细胞因子分泌，从而增强Mφ炎症；而IRG1表达上调，可催化产生更多衣康酸，后者可抑制SDH 活性，阻断琥珀酸累积介导的炎症反应［10，13］。再如，IRG1 在脓毒症外周血单核细胞中高表达，可显著抑制LPS 耐受的Mφ 产生促炎因子，并通过上调ROS 增加A20 的表达，促进内毒素耐受［14］。此外，IRG1还能通过磷酸戊糖途径提高ROS水平，以STAT1/3-TAP1 轴增加主要组织相容性复合体Ⅰ类水平，而该复合体是固有和适应性免疫的重要联系［15］。鉴于IRG1/衣康酸在免疫调节中的重要作用，一些衣康酸衍生物显示出对炎症疾病的治疗潜力，为基于免疫代谢学的疾病干预策略研究提供了新的方向。本文就IRG1/衣康酸调控Mφ 炎症反应的分子机制研究进行综述。

1 IRG1/衣康酸的发现

LPS可激活Mφ中许多基因的表达，后者在介导炎症中发挥重要作用［16-17］。1995 年，LEE 等［18］首次在LPS 激活的RAW 264.7细胞系cDNA 文库中筛选出一种新型cDNA，命名为IRG1，并发现IRG1 含有糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）附着位点的一致序列。鉴于含有GAG 的细胞因子具有促进炎症部位白细胞浸润、定位及分泌M-CSF 等作用，因此推测IRG1可能具有免疫调节功能，但其具体作用在近几年才被发现［18-21］。

1957 年，BENTLEY 与 THIESSEN 利用标记碳基质的同位素示踪试验证实了TCA 循环中间产物CAD 催化顺乌头酸脱羧生成衣康酸［22-23］。研究显示，一分子葡萄糖可分解为两分子丙酮酸，其中一分子丙酮酸在丙酮酸脱氢酶催化作用下，氧化脱羧生成乙酰辅酶A，另一分子被丙酮酸羧化酶催化为草酰乙酸。在柠檬酸合酶的作用下，乙酰辅酶A 和草酰乙酸缩合形成柠檬酸，后者被乌头酸酶进一步催化为衣康酸的直接前体——顺乌头酸。而CAD能催化顺乌头酸脱羧生成衣康酸。

2013 年，MICHELUCCI 等［6，10］通过对曲霉 CAD的序列同源性搜索，发现IRG1 与CAD 同源；并且，以纯化的哺乳动物IRG1 和顺式乌头酸为底物的酶法测定显示IRG1 可催化产生衣康酸，最终证实IRG1 的CAD 活性。这为研究IRG1/衣康酸重塑代谢介导免疫应答奠定了基础。

2 IRG1/衣康酸调控Mφ炎症的机制

作为免疫学领域的研究前沿，免疫代谢学从代谢重编程视角探讨免疫细胞分化及效应的关键代谢事件，为解析免疫调节、疾病发生机制及干预策略研究提供了新的方向。在LPS 激活的Mφ 中，IRG1 表达显著上调，与此对应的是，衣康酸大量累积［6，10］。现已证实，IRG1/衣康酸是介导Mφ 炎症的重要负向调控点，可通过多种机制下调炎症反应，调节疾病进展。

2.1 IRG1/衣康酸通过Nrf2 介导抗氧化核因子E2 相关因子 2（nuclear factor erythroid 2-related fac⁃tor 2，Nrf2）是机体抗氧化的主要调节因子，其通过作用于抗氧化反应元件（antioxidant responsive ele⁃ment，ARE）调控有关解毒和消除活性氧化剂及亲电剂的基因表达，在增强细胞抗氧化能力和亲电应激防御系统中发挥重要作用［24-25］。在安静状态下，Nrf2被 kelch 样 ECH 关联蛋白 1（kelch-like ECH-associat⁃ed protein 1，Keap1）隔离在细胞质中进行蛋白酶体的降解［26］。一旦受到刺激，Keap1 的半胱氨酸残基在位点 151、257、288、273 和 297 上烷基化，导致蛋白质变性，从而失去了对Nrf2 的抑制作用。Nrf2 与Keap1 分离后迁移到细胞核并激发转录反应，从而实现多种Nrf2 依赖的抗氧化酶的表达和抗炎基因的转录翻译［26-27］。研究证实，Nrf2 可通过干扰阻断LPS诱导的促炎细胞因子（IL-6、IL-1β等）转录，抑制Mφ 炎症。因此，着眼于Nrf2 下调Mφ 炎症的治疗策略将是有益的［28］。

作为一种可透过细胞膜的衣康酸衍生物，四辛酯衣康酸（4-octyl itaconate，4-OI）在Mφ 中被高效代谢为衣康酸，后者可通过烷基化Keap1 激活Nrf2，上调具有抗炎和抗氧化能力的下游靶基因的表达，介导抗炎反应［29-30］。在LPS激活Mφ中，甘油醛-3-磷酸脱氢酶（glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，GAPDH）是一种调节需氧糖酵解反应速率的限速酶。研究发现，OI 会使GAPDH 中第22 位半胱氨酸残基发生烷基化，抑制GAPDH 活性，从而抑制需氧糖酵解，下调炎症反应［31］。此外，二甲酯衣康酸（dimethyl itaconate，DI），衣康酸的另一个衍生物，被证实可通过Nrf2/heme oxygenase-1（HO-1）通路降低角膜真菌性感染引起的炎症反应，阻止氧化应激及细胞损伤［32-33］。

鉴于衣康酸在抗氧化及下调炎症中的重要作用，一些研究人员已着手利用4-OI 进行疾病干预。研究发现，IRG1/衣康酸激活Nrf2 可保护肝脏免受缺血再灌注的损伤［34］。通过激活Keap1-Nrf2 信号，4-OI 既可以保护神经免受过氧化氢的影响，还可以保护人脐静脉内皮细胞免受高糖影响［35-36］。在系统性红斑狼疮患者体内，4-OI 可通过激活Nrf2 信号，抑制外周血单核细胞中的促炎细胞因子［27］。因此，充分利用衣康酸诱导Nrf2、促进抗氧化以及抗炎的机制可为开发人类炎症疾病的治疗药物提供有益思路。

2.2 IRG1/衣康酸抑制SDH 最近报道显示，TCA循环（又称为Krebs 循环）可通过重编程调节细胞代谢流，造成柠檬酸、琥珀酸以及延胡索酸等中间产物的累积，而这些中间产物可作为信号分子以及免疫调节子指导 Mφ 免疫反应［3，37］。其中，琥珀酸及SDH 在Mφ 炎症中的作用研究较为透彻。研究发现，SDH 氧化累积的琥珀酸，可促进过量的还原性辅酶Q蓄积，迫使电子返回复合物Ⅰ，导致最终生成能刺激促炎介质分泌并激活炎症小体ROS 生成，并能抑制IL-10 的诱导表达，从而促进LPS 激活Mφ 的炎症［13，38］。而最新研究发现 IRG1 诱导产生的衣康酸可抑制SDH 表达及活性，从而阻断琥珀酸介导的炎症反应［39］。衣康酸对SDH 的抑制作用也能阻断反向电子传递产生的ROS，进而下调炎症反应［38］。因此，衣康酸/SDH 代谢轴将TCA 重塑、电子传递链与固有免疫反应联系起来。

衣康酸/SDH 代谢轴的发现为疾病的干预研究提供了实验基础。在肿瘤中，由于SDH 及延胡索酸水合酶（fumarate hydratase，FH）失活，造成琥珀酸及延胡索酸堆积于胞浆，这些代谢产物可抑制脯氨酸羟化酶家族，增强肿瘤细胞糖酵解并使细胞对凋亡信号产生抗药性［40］。而衣康酸可抑制SDH 的活性，造成线粒体酶功能障碍，故而成为肿瘤治疗的新靶点。最新研究发现，寨卡病毒（Zika virus，ZIKV）感染会激活神经元的核苷感受器ZBP1 以及激酶RIPK3（receptor interacting protein kinases-3），诱导IRG1 高表达，产生更多衣康酸，以抑制病毒基因组复制。这种作用亦与衣康酸抑制SDH活性有关［9］。

2.3 IRG1/衣康酸调控ROS 水平最初ROS 被认为是有氧代谢的有毒副产品，随后证实ROS 还可以作为细胞复杂的信号传递网络的中心参与者［41］。ROS 作为一把双刃剑，不仅控制着一些细胞转化、血管生成以及肿瘤细胞增殖和侵袭相关蛋白质的表达，还对各种抑癌基因的表达具有调控作用［42］。少量的ROS 可以介导细胞信号传递的调节，而ROS过量则会诱导促炎细胞因子和趋化因子导致细胞损伤、炎症反应的发生以及血管屏障功能障碍［43-45］。

线粒体作为免疫与代谢系统连接的桥梁，在炎症与免疫细胞功能调控中发挥关键作用。线粒体的离子通道与转运体维持着线粒体结构和功能的完整性，并在调节活性氧生成、ATP生成和细胞凋亡等方面占据重要地位［46-47］。2013年，HALL等［48］的实验结果证明：IRG1 通过调节β-氧化依赖性线粒体ROS 的生成，增强 LPS 刺激的 Mφ 杀菌活性，将IRG1/衣康酸与巨噬细胞炎症及线粒体功能联系了起来。因此，以IRG1 调节线粒体ROS 为切入点，可调控免疫防御，改善炎症反应。

脓毒症引起的过度炎症会对组织细胞造成严重损伤，也会导致多器官衰竭，晚期脓毒症患者还会由于脓毒症相关免疫抑制（sepsis-associated im⁃munosuppression，SAIS）而死于继发性感染。IRG1可明显抑制内毒素耐受的Mφ 产生促炎细胞因子TNF-α、IL-6和IFN-β，并识别ROS信号，诱导具有抑制细菌和病毒感染时免疫反应作用的A20 生成，促进内毒素耐受［14，31］。因此，IRG1/衣康酸可能成为脓毒症干预的潜在分子。

2.4 IRG1/衣康酸调控IκBζ-ATF3 炎症轴 ATF3作为免疫激活的全局负调控因子，是一种抗炎转录因子，不仅可调节IL-6 等细胞因子产生，也与线粒体应激相关，故将代谢紊乱和炎症信号联系起来。ATF3 作为Mφ 中高密度脂蛋白诱导型靶基因，可下调Toll 样受体诱导的促炎细胞因子表达，在炎症中发挥重要作用［49］。现已证实ATF3 部分活性依赖于IκBζ 的抑制作用［39，50］。研究证明，衣康酸及其膜透性衍生物DI通过降低Mφ内谷胱甘肽的有效浓度诱发亲电应激反应。该通路涉及上调ATF3，干扰IκBζ 蛋白的诱导，从而抑制细胞因子 IL-6 和 IL-12的表达［51-52］。

银屑病是一种较为常见的免疫介导的慢性炎症性皮肤病，角蛋白的过度增生和异常分化以及炎症细胞的浸润为其主要特征，该病对患者造成了极大的生理及精神损害［53］。值得注意的是，体内注射DI可以改善小鼠银屑病模型中IL-17-IκBζ驱动的促炎反应。与对照组相比，DI 处理的银屑病病理显著改变，且IκBζ 靶基因在耳组织中的表达下降。这证实了衣康酸的亲电特性使其可以通过抑制IκBζ 的翻译表达，选择性调节继发性转录反应，在银屑病小鼠中发挥抗炎作用［51，54］。因此，针对 IκBζ-ATF3炎症轴的调节可能是一些自身免疫性疾病治疗策略的新靶点。

2.5 IRG1/衣康酸调控受训后免疫受训后免疫（trained immunity，TI）是指固有免疫细胞（比如单核细胞/Mφ、自然杀伤细胞等）在再次接触相同或无关病原体刺激时表现出增强或减弱的免疫反应［55］。这一概念的提出，拓展了免疫记忆的认识。与适应性免疫记忆不同，代谢及表观遗传重编程是TI 发生的基础［56］。在单核/Mφ 体系中，β-葡聚糖可通过诱导TI 逆转LPS 诱导的耐受，为脓毒血症的治疗提供了新的思路［57］。随后证实，IRG1/衣康酸/SDH 是其中的关键代谢卡控点：β-葡聚糖可抑制IRG1 表达，造成衣康酸减少，后者对SDH 的抑制作用减弱，促进SDH 氧化琥珀酸生成延胡索酸，有利于维持TCA循环的完整性，最终为免疫应答提供更多能量［58-59］。

3 应用前景和展望

免疫代谢学这一新兴交叉学科的兴起，为解析免疫调节及疾病发病机制、干预策略研究提供了新的视角［5］。IRG1/衣康酸是免疫代谢学的一个典型例子，自被报道为Mφ 免疫与代谢的连接点后，便成为热门分子［6］。现已证实，IRG1/衣康酸是Mφ 炎症调节的关键代谢结点，其可通过多种机制下调炎症（见图1）。这些发现为银屑病、脓毒症、肿瘤等炎症相关性疾病以及细菌、病毒性疾病的治疗提供了新的靶点。以IRG1/衣康酸为Mφ 炎症反应的调控靶点，可能为人为重塑免疫代谢干预疾病奠定实验基础。但是，目前IRG1/衣康酸的抗炎作用及机制研究大多是基于体外实验与动物模型，其治疗炎症疾病的安全性及潜在效果仍有待大量临床评估。