免疫反應(yīng)基因1/ 衣康酸在調(diào)控巨噬細(xì)胞炎癥中的研究進(jìn)展①

朱宇琪 于英華 潘 偉

（江蘇省免疫與代謝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，徐州醫(yī)科大學(xué)病原生物學(xué)與免疫學(xué)教研室，徐州221004）

免疫代謝學(xué)是一門基于免疫學(xué)與代謝學(xué)交叉融合衍生的新興學(xué)科，近年來已成為免疫學(xué)界的研究焦點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，諸如糖酵解、三羧酸循環(huán)（tricar?boxylic acid cycle，TCA）以及脂肪酸氧化等代謝通路在決定免疫細(xì)胞表型分化及功能效應(yīng)中發(fā)揮重要作用［1-2］。一些代謝中間產(chǎn)物可對免疫細(xì)胞進(jìn)行代謝及表觀遺傳學(xué)重編程，以滿足免疫細(xì)胞發(fā)揮不同功能的能量需求。比如，巨噬細(xì)胞（macrophage，Mφ）和樹突狀細(xì)胞在暴露于炎性刺激條件下，會(huì)加強(qiáng)生物合成的調(diào)節(jié)，以滿足細(xì)胞活化所需能量［3］；而琥珀酸等代謝產(chǎn)物累積也能調(diào)控免疫反應(yīng)［4］。鑒于免疫細(xì)胞在疾病發(fā)生發(fā)展中的重要作用，而調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞代謝可調(diào)控宿主免疫應(yīng)答，故通過代謝物重塑免疫功能，可作為疾病干預(yù)策略研究的新思路［5］。

免疫反應(yīng)基因1（immune responsive gene 1，IRG1），可編碼TCA 循環(huán)的一種代謝酶—順烏頭酸脫羧酶（cis-aconitate decarboxylase，CAD），后者可催化順烏頭酸脫羧產(chǎn)生衣康酸［6］。而較為熟知的是，衣康酸具有較強(qiáng)的殺菌及抗病毒效應(yīng)［7-9］。這是因?yàn)橐驴邓峥梢种埔胰┧岱至髦械年P(guān)鍵酶異檸檬酸裂解酶（isocitrate lyase，ICL）的表達(dá)及活性，阻礙細(xì)菌在葡萄糖缺乏條件下利用其他碳源進(jìn)行生物合成能量代謝；此外，衣康酸還可以通過抑制甲基異檸檬酸裂解酶（methylisocitrate lyase，MCL）的活性影響細(xì)胞代謝途徑，從而抑制細(xì)菌利用MCL 催化丙酰輔酶A解毒［10-12］。

免疫代謝學(xué)的興起，極大地拓展了IRG1/衣康酸在免疫調(diào)節(jié)及疾病中的作用認(rèn)識。研究發(fā)現(xiàn)，IRG1/衣康酸對TCA 中琥珀酸脫氫酶（succinate de?hydrogenase，SDH）的調(diào)控在Mφ 炎癥發(fā)生中處于關(guān)鍵地位。當(dāng)IRG1/衣康酸下調(diào)時(shí)，SDH 氧化累積的琥珀酸會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)活性氧（reactive oxygen spe?cies，ROS）生成及促炎細(xì)胞因子分泌，從而增強(qiáng)Mφ炎癥；而IRG1表達(dá)上調(diào)，可催化產(chǎn)生更多衣康酸，后者可抑制SDH 活性，阻斷琥珀酸累積介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)［10，13］。再如，IRG1 在膿毒癥外周血單核細(xì)胞中高表達(dá)，可顯著抑制LPS 耐受的Mφ 產(chǎn)生促炎因子，并通過上調(diào)ROS 增加A20 的表達(dá)，促進(jìn)內(nèi)毒素耐受［14］。此外，IRG1還能通過磷酸戊糖途徑提高ROS水平，以STAT1/3-TAP1 軸增加主要組織相容性復(fù)合體Ⅰ類水平，而該復(fù)合體是固有和適應(yīng)性免疫的重要聯(lián)系［15］。鑒于IRG1/衣康酸在免疫調(diào)節(jié)中的重要作用，一些衣康酸衍生物顯示出對炎癥疾病的治療潛力，為基于免疫代謝學(xué)的疾病干預(yù)策略研究提供了新的方向。本文就IRG1/衣康酸調(diào)控Mφ 炎癥反應(yīng)的分子機(jī)制研究進(jìn)行綜述。

1 IRG1/衣康酸的發(fā)現(xiàn)

LPS可激活Mφ中許多基因的表達(dá)，后者在介導(dǎo)炎癥中發(fā)揮重要作用［16-17］。1995 年，LEE 等［18］首次在LPS 激活的RAW 264.7細(xì)胞系cDNA 文庫中篩選出一種新型cDNA，命名為IRG1，并發(fā)現(xiàn)IRG1 含有糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）附著位點(diǎn)的一致序列。鑒于含有GAG 的細(xì)胞因子具有促進(jìn)炎癥部位白細(xì)胞浸潤、定位及分泌M-CSF 等作用，因此推測IRG1可能具有免疫調(diào)節(jié)功能，但其具體作用在近幾年才被發(fā)現(xiàn)［18-21］。

1957 年，BENTLEY 與 THIESSEN 利用標(biāo)記碳基質(zhì)的同位素示蹤試驗(yàn)證實(shí)了TCA 循環(huán)中間產(chǎn)物CAD 催化順烏頭酸脫羧生成衣康酸［22-23］。研究顯示，一分子葡萄糖可分解為兩分子丙酮酸，其中一分子丙酮酸在丙酮酸脫氫酶催化作用下，氧化脫羧生成乙酰輔酶A，另一分子被丙酮酸羧化酶催化為草酰乙酸。在檸檬酸合酶的作用下，乙酰輔酶A 和草酰乙酸縮合形成檸檬酸，后者被烏頭酸酶進(jìn)一步催化為衣康酸的直接前體——順烏頭酸。而CAD能催化順烏頭酸脫羧生成衣康酸。

2013 年，MICHELUCCI 等［6，10］通過對曲霉 CAD的序列同源性搜索，發(fā)現(xiàn)IRG1 與CAD 同源；并且，以純化的哺乳動(dòng)物IRG1 和順式烏頭酸為底物的酶法測定顯示IRG1 可催化產(chǎn)生衣康酸，最終證實(shí)IRG1 的CAD 活性。這為研究IRG1/衣康酸重塑代謝介導(dǎo)免疫應(yīng)答奠定了基礎(chǔ)。

2 IRG1/衣康酸調(diào)控Mφ炎癥的機(jī)制

作為免疫學(xué)領(lǐng)域的研究前沿，免疫代謝學(xué)從代謝重編程視角探討免疫細(xì)胞分化及效應(yīng)的關(guān)鍵代謝事件，為解析免疫調(diào)節(jié)、疾病發(fā)生機(jī)制及干預(yù)策略研究提供了新的方向。在LPS 激活的Mφ 中，IRG1 表達(dá)顯著上調(diào)，與此對應(yīng)的是，衣康酸大量累積［6，10］。現(xiàn)已證實(shí)，IRG1/衣康酸是介導(dǎo)Mφ 炎癥的重要負(fù)向調(diào)控點(diǎn)，可通過多種機(jī)制下調(diào)炎癥反應(yīng)，調(diào)節(jié)疾病進(jìn)展。

2.1 IRG1/衣康酸通過Nrf2 介導(dǎo)抗氧化 核因子E2 相關(guān)因子 2（nuclear factor erythroid 2-related fac?tor 2，Nrf2）是機(jī)體抗氧化的主要調(diào)節(jié)因子，其通過作用于抗氧化反應(yīng)元件（antioxidant responsive ele?ment，ARE）調(diào)控有關(guān)解毒和消除活性氧化劑及親電劑的基因表達(dá)，在增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化能力和親電應(yīng)激防御系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用［24-25］。在安靜狀態(tài)下，Nrf2被 kelch 樣 ECH 關(guān)聯(lián)蛋白 1（kelch-like ECH-associat?ed protein 1，Keap1）隔離在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行蛋白酶體的降解［26］。一旦受到刺激，Keap1 的半胱氨酸殘基在位點(diǎn) 151、257、288、273 和 297 上烷基化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，從而失去了對Nrf2 的抑制作用。Nrf2 與Keap1 分離后遷移到細(xì)胞核并激發(fā)轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)多種Nrf2 依賴的抗氧化酶的表達(dá)和抗炎基因的轉(zhuǎn)錄翻譯［26-27］。研究證實(shí)，Nrf2 可通過干擾阻斷LPS誘導(dǎo)的促炎細(xì)胞因子（IL-6、IL-1β等）轉(zhuǎn)錄，抑制Mφ 炎癥。因此，著眼于Nrf2 下調(diào)Mφ 炎癥的治療策略將是有益的［28］。

作為一種可透過細(xì)胞膜的衣康酸衍生物，四辛酯衣康酸（4-octyl itaconate，4-OI）在Mφ 中被高效代謝為衣康酸，后者可通過烷基化Keap1 激活Nrf2，上調(diào)具有抗炎和抗氧化能力的下游靶基因的表達(dá)，介導(dǎo)抗炎反應(yīng)［29-30］。在LPS激活Mφ中，甘油醛-3-磷酸脫氫酶（glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，GAPDH）是一種調(diào)節(jié)需氧糖酵解反應(yīng)速率的限速酶。研究發(fā)現(xiàn)，OI 會(huì)使GAPDH 中第22 位半胱氨酸殘基發(fā)生烷基化，抑制GAPDH 活性，從而抑制需氧糖酵解，下調(diào)炎癥反應(yīng)［31］。此外，二甲酯衣康酸（dimethyl itaconate，DI），衣康酸的另一個(gè)衍生物，被證實(shí)可通過Nrf2/heme oxygenase-1（HO-1）通路降低角膜真菌性感染引起的炎癥反應(yīng)，阻止氧化應(yīng)激及細(xì)胞損傷［32-33］。

鑒于衣康酸在抗氧化及下調(diào)炎癥中的重要作用，一些研究人員已著手利用4-OI 進(jìn)行疾病干預(yù)。研究發(fā)現(xiàn)，IRG1/衣康酸激活Nrf2 可保護(hù)肝臟免受缺血再灌注的損傷［34］。通過激活Keap1-Nrf2 信號，4-OI 既可以保護(hù)神經(jīng)免受過氧化氫的影響，還可以保護(hù)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞免受高糖影響［35-36］。在系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者體內(nèi)，4-OI 可通過激活Nrf2 信號，抑制外周血單核細(xì)胞中的促炎細(xì)胞因子［27］。因此，充分利用衣康酸誘導(dǎo)Nrf2、促進(jìn)抗氧化以及抗炎的機(jī)制可為開發(fā)人類炎癥疾病的治療藥物提供有益思路。

2.2 IRG1/衣康酸抑制SDH 最近報(bào)道顯示，TCA循環(huán)（又稱為Krebs 循環(huán)）可通過重編程調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝流，造成檸檬酸、琥珀酸以及延胡索酸等中間產(chǎn)物的累積，而這些中間產(chǎn)物可作為信號分子以及免疫調(diào)節(jié)子指導(dǎo) Mφ 免疫反應(yīng)［3，37］。其中，琥珀酸及SDH 在Mφ 炎癥中的作用研究較為透徹。研究發(fā)現(xiàn)，SDH 氧化累積的琥珀酸，可促進(jìn)過量的還原性輔酶Q蓄積，迫使電子返回復(fù)合物Ⅰ，導(dǎo)致最終生成能刺激促炎介質(zhì)分泌并激活炎癥小體ROS 生成，并能抑制IL-10 的誘導(dǎo)表達(dá)，從而促進(jìn)LPS 激活Mφ 的炎癥［13，38］。而最新研究發(fā)現(xiàn) IRG1 誘導(dǎo)產(chǎn)生的衣康酸可抑制SDH 表達(dá)及活性，從而阻斷琥珀酸介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)［39］。衣康酸對SDH 的抑制作用也能阻斷反向電子傳遞產(chǎn)生的ROS，進(jìn)而下調(diào)炎癥反應(yīng)［38］。因此，衣康酸/SDH 代謝軸將TCA 重塑、電子傳遞鏈與固有免疫反應(yīng)聯(lián)系起來。

衣康酸/SDH 代謝軸的發(fā)現(xiàn)為疾病的干預(yù)研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。在腫瘤中，由于SDH 及延胡索酸水合酶（fumarate hydratase，F(xiàn)H）失活，造成琥珀酸及延胡索酸堆積于胞漿，這些代謝產(chǎn)物可抑制脯氨酸羥化酶家族，增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞糖酵解并使細(xì)胞對凋亡信號產(chǎn)生抗藥性［40］。而衣康酸可抑制SDH 的活性，造成線粒體酶功能障礙，故而成為腫瘤治療的新靶點(diǎn)。最新研究發(fā)現(xiàn)，寨卡病毒（Zika virus，ZIKV）感染會(huì)激活神經(jīng)元的核苷感受器ZBP1 以及激酶RIPK3（receptor interacting protein kinases-3），誘導(dǎo)IRG1 高表達(dá)，產(chǎn)生更多衣康酸，以抑制病毒基因組復(fù)制。這種作用亦與衣康酸抑制SDH活性有關(guān)［9］。

2.3 IRG1/衣康酸調(diào)控ROS 水平 最初ROS 被認(rèn)為是有氧代謝的有毒副產(chǎn)品，隨后證實(shí)ROS 還可以作為細(xì)胞復(fù)雜的信號傳遞網(wǎng)絡(luò)的中心參與者［41］。ROS 作為一把雙刃劍，不僅控制著一些細(xì)胞轉(zhuǎn)化、血管生成以及腫瘤細(xì)胞增殖和侵襲相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá)，還對各種抑癌基因的表達(dá)具有調(diào)控作用［42］。少量的ROS 可以介導(dǎo)細(xì)胞信號傳遞的調(diào)節(jié)，而ROS過量則會(huì)誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子和趨化因子導(dǎo)致細(xì)胞損傷、炎癥反應(yīng)的發(fā)生以及血管屏障功能障礙［43-45］。

線粒體作為免疫與代謝系統(tǒng)連接的橋梁，在炎癥與免疫細(xì)胞功能調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用。線粒體的離子通道與轉(zhuǎn)運(yùn)體維持著線粒體結(jié)構(gòu)和功能的完整性，并在調(diào)節(jié)活性氧生成、ATP生成和細(xì)胞凋亡等方面占據(jù)重要地位［46-47］。2013年，HALL等［48］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：IRG1 通過調(diào)節(jié)β-氧化依賴性線粒體ROS 的生成，增強(qiáng) LPS 刺激的 Mφ 殺菌活性，將IRG1/衣康酸與巨噬細(xì)胞炎癥及線粒體功能聯(lián)系了起來。因此，以IRG1 調(diào)節(jié)線粒體ROS 為切入點(diǎn)，可調(diào)控免疫防御，改善炎癥反應(yīng)。

膿毒癥引起的過度炎癥會(huì)對組織細(xì)胞造成嚴(yán)重?fù)p傷，也會(huì)導(dǎo)致多器官衰竭，晚期膿毒癥患者還會(huì)由于膿毒癥相關(guān)免疫抑制（sepsis-associated im?munosuppression，SAIS）而死于繼發(fā)性感染。IRG1可明顯抑制內(nèi)毒素耐受的Mφ 產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-6和IFN-β，并識別ROS信號，誘導(dǎo)具有抑制細(xì)菌和病毒感染時(shí)免疫反應(yīng)作用的A20 生成，促進(jìn)內(nèi)毒素耐受［14，31］。因此，IRG1/衣康酸可能成為膿毒癥干預(yù)的潛在分子。

2.4 IRG1/衣康酸調(diào)控IκBζ-ATF3 炎癥軸 ATF3作為免疫激活的全局負(fù)調(diào)控因子，是一種抗炎轉(zhuǎn)錄因子，不僅可調(diào)節(jié)IL-6 等細(xì)胞因子產(chǎn)生，也與線粒體應(yīng)激相關(guān)，故將代謝紊亂和炎癥信號聯(lián)系起來。ATF3 作為Mφ 中高密度脂蛋白誘導(dǎo)型靶基因，可下調(diào)Toll 樣受體誘導(dǎo)的促炎細(xì)胞因子表達(dá)，在炎癥中發(fā)揮重要作用［49］。現(xiàn)已證實(shí)ATF3 部分活性依賴于IκBζ 的抑制作用［39，50］。研究證明，衣康酸及其膜透性衍生物DI通過降低Mφ內(nèi)谷胱甘肽的有效濃度誘發(fā)親電應(yīng)激反應(yīng)。該通路涉及上調(diào)ATF3，干擾IκBζ 蛋白的誘導(dǎo)，從而抑制細(xì)胞因子 IL-6 和 IL-12的表達(dá)［51-52］。

銀屑病是一種較為常見的免疫介導(dǎo)的慢性炎癥性皮膚病，角蛋白的過度增生和異常分化以及炎癥細(xì)胞的浸潤為其主要特征，該病對患者造成了極大的生理及精神損害［53］。值得注意的是，體內(nèi)注射DI可以改善小鼠銀屑病模型中IL-17-IκBζ驅(qū)動(dòng)的促炎反應(yīng)。與對照組相比，DI 處理的銀屑病病理顯著改變，且IκBζ 靶基因在耳組織中的表達(dá)下降。這證實(shí)了衣康酸的親電特性使其可以通過抑制IκBζ 的翻譯表達(dá)，選擇性調(diào)節(jié)繼發(fā)性轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，在銀屑病小鼠中發(fā)揮抗炎作用［51，54］。因此，針對 IκBζ-ATF3炎癥軸的調(diào)節(jié)可能是一些自身免疫性疾病治療策略的新靶點(diǎn)。

2.5 IRG1/衣康酸調(diào)控受訓(xùn)后免疫 受訓(xùn)后免疫（trained immunity，TI）是指固有免疫細(xì)胞（比如單核細(xì)胞/Mφ、自然殺傷細(xì)胞等）在再次接觸相同或無關(guān)病原體刺激時(shí)表現(xiàn)出增強(qiáng)或減弱的免疫反應(yīng)［55］。這一概念的提出，拓展了免疫記憶的認(rèn)識。與適應(yīng)性免疫記憶不同，代謝及表觀遺傳重編程是TI 發(fā)生的基礎(chǔ)［56］。在單核/Mφ 體系中，β-葡聚糖可通過誘導(dǎo)TI 逆轉(zhuǎn)LPS 誘導(dǎo)的耐受，為膿毒血癥的治療提供了新的思路［57］。隨后證實(shí)，IRG1/衣康酸/SDH 是其中的關(guān)鍵代謝卡控點(diǎn)：β-葡聚糖可抑制IRG1 表達(dá)，造成衣康酸減少，后者對SDH 的抑制作用減弱，促進(jìn)SDH 氧化琥珀酸生成延胡索酸，有利于維持TCA循環(huán)的完整性，最終為免疫應(yīng)答提供更多能量［58-59］。

3 應(yīng)用前景和展望

免疫代謝學(xué)這一新興交叉學(xué)科的興起，為解析免疫調(diào)節(jié)及疾病發(fā)病機(jī)制、干預(yù)策略研究提供了新的視角［5］。IRG1/衣康酸是免疫代謝學(xué)的一個(gè)典型例子，自被報(bào)道為Mφ 免疫與代謝的連接點(diǎn)后，便成為熱門分子［6］?，F(xiàn)已證實(shí)，IRG1/衣康酸是Mφ 炎癥調(diào)節(jié)的關(guān)鍵代謝結(jié)點(diǎn)，其可通過多種機(jī)制下調(diào)炎癥（見圖1）。這些發(fā)現(xiàn)為銀屑病、膿毒癥、腫瘤等炎癥相關(guān)性疾病以及細(xì)菌、病毒性疾病的治療提供了新的靶點(diǎn)。以IRG1/衣康酸為Mφ 炎癥反應(yīng)的調(diào)控靶點(diǎn)，可能為人為重塑免疫代謝干預(yù)疾病奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。但是，目前IRG1/衣康酸的抗炎作用及機(jī)制研究大多是基于體外實(shí)驗(yàn)與動(dòng)物模型，其治療炎癥疾病的安全性及潛在效果仍有待大量臨床評估。

圖1 IRG1/衣康酸下調(diào)巨噬細(xì)胞炎癥的機(jī)制示意圖Fig.1 Mechanism diagram of IRG1/itaconate down-regu?lating macrophage inflammation