免疫代谢

1. 免疫代谢
2. 糖酵解和磷酸戊糖途径

Immunometabolism in the Single-Cell Era

在免疫方面，代谢途径的特定改变与免疫效应功能直接相关，最显著的是产生不同的细胞因子。不同功能的免疫细胞使用几种不同的代谢途径来产生足够水平的能量储存，以支持自身生存，并产生大量生物合成中间体帮助细胞生长和增殖。免疫细胞代谢目前认为存在六种关键代谢途径，在促进细胞存活或生长的关键产物的产生中具有重要作用。糖酵解、三羧酸 (TCA) 循环、磷酸戊糖、脂肪酸氧化、脂肪酸合成和氨基酸途径在细胞中各有独特的用途，并受细胞信号通路的调节。

Glycolysis converts glucose into pyruvate, which can then either be converted into lactate, and secreted, or can enter the tricarboxylic acid (TCA) cycle in which it will generate NADH and FADH2 the election transport chain, leading to ATP production. Glycolysis also feeds the pentose phosphate pathway (PPP),which generates ribose for nucleotides, amino acids and NADPH. NADPH is used for fatty acid synthesis, which uses citrate withdrawn from the TCA cycle. Fatty acids can also be oxidized, generating NADH and FADH2, which again drive ATP production from the electron transport chain. Finally amino acid metabolism can feed the TCA cycle and is also important for cell growth and protein biosynthesis. In this figure, the pathways that require oxygen are indicated in green boxes, and pathways that are not oxygen dependent are indicated in blue boxes. In addition, inhibitors of metabolic pathways are indicated in grey boxes. BPTES, bis-2-(5-phenylacetamido-1,3,4-thiadiazol-2-yl)ethyl sulphide.

不同条件下，免疫细胞具有不同的代谢状态

A guide to immunometabolism for immunologists

而免疫细胞的不同代谢途径的激活也与其功能直接相关，oxygen
levels 和 nutrient supply 是代谢通路的关键驱动因素。

A guide to immunometabolism for immunologists

关键的免疫代谢概念

1. 糖酵解

免疫活化是糖酵解通量增加的耗能过程，此过程中机体利用葡萄糖转运体摄取葡萄糖(如GLUT1)后转化为丙酮酸，将NAD+还原为NADH并生成ATP。糖酵解酶如己糖激酶1和2 (HK1和HK2)、甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)、烯醇化酶和丙酮酸激酶同工酶M2 (PKM2)均可抑制细胞免疫功能。在无氧状态下，细胞通过乳酸脱氢酶(LDH)将丙酮酸还原为乳酸以维持糖酵解通量。Seahorse 分析中，质子和糖酵解衍生的乳酸可通过单羧酸转运体MCT1从细胞中输出时，这种发酵反应称为ECAR。糖酵解在炎症免疫效应细胞中最为活跃，对多种免疫细胞的活化模式至关重要且糖酵解率在B淋巴细胞和T淋巴细胞之间表现不同。

糖酵解的中间产物6-磷酸葡萄糖参与磷酸戊糖途径；3-磷酸甘油醛参与丝氨酸合成；生成的丙酮酸可以进入TCA生成柠檬酸盐，生成脂肪酸。生成的NADH是多种酶的cofactor。

参与糖酵解调控的分子：

· HIF-1a（缺氧诱导因子1a）：参与糖酵解相关酶的转录
· NF-kB：NF-kB通路的活化可以促进磷酸果糖激酶2的泛素化（uPFK2）降解，从而促进糖酵解
· TBK1（TANK结合蛋白）
· IKKε（NF-kB激酶ε抑制子）
· 己糖激酶2
· PKM2（丙酮酸激酶同工酶2）：在LPS刺激或动脉粥样硬化情况下，单核巨噬细胞中的PKM2可以减缓糖酵解速率，使更多中间产物用于生物合成，并可以进入细胞核，与HIF-1a互作，激活HIF-1a依赖基因（糖酵解相关酶，细胞因子如IL1b等）。
· 己糖激酶1：除了将葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖，还可以促进NLRP3活化。
· GAPDH（3-磷酸甘油醛脱氢酶）：Th1细胞的关键效应细胞因子IFN-r的产生，依赖于糖酵解的启动
静息状态：结合于IFNr的mRNA上，抑制其翻译
糖酵解：与mRNA解离，IFN-r启动翻译，GAPDH进入糖酵解
· 抑制Th17的糖酵解，促进Th17转变为Treg。过度活化mTOR，增加糖酵解，诱导外周Treg。在这个过程中，烯醇化酶可以促进Foxp3剪切和pTreg产生

糖酵解与乳酸化修饰

糖酵解产生的乳酸可以对组蛋白进行乳酸化修饰，而且进乳酸化修饰的乳酸可以是外源性的也可以是葡萄糖依赖的内源性的。基因启动子区组蛋白的乳酸化可以增加基因表达，尤其是与伤口愈合相关的基因，如Arg1。而常见的促炎基因，Tnf和Il6则通常不受影响。由于肿瘤细胞代谢主要依赖于糖酵解途径 (Warburg effect)，其产生的乳酸可以被周围的组织原位巨噬细胞 (TRM) 摄取，并对TRM进行乳酸化修饰，从而生成免疫抑制性的TAM。此外，在前面介绍过，促炎性巨噬主要以糖酵解为主，随着时间推移，乳酸的堆积和乳酸化修饰可以使得促炎巨噬细胞向抑炎/修复性巨噬细胞转变，在疾病晚期起到修复作用。

The Role of PTMs in the Crosstalk between Krebs Cycle and Glycolysis in Proinflammatory Macrophages
In an LPS-stimulated macrophage, glycolysis is potently upregulated. This can generate lactate, which has been shown to lactylate histones, thereby regulating the expression of genes en- coding pro-resolving factors. The Krebs cycle metabolites succinyl-CoA, fumarate, and itaco- nate can also give rise to PTMs. In macrophages, the targets of such PTMs are often glycolytic en- zymes, which represents a method of regulation between the two pathways. In this way Krebs cy- cle-derived metabolites can curb glycolysis, which might limit inflammation via effects on aldolase, GAPDH, and PKM2, or if lactate concentrations fall, control the resolution of inflammation.(Modification of Proteins by Metabolites in Immunity)

2. 磷酸戊糖途径在炎性髓细胞中尤为重要

磷酸戊糖途径（PPP）是机体利用葡萄糖直接氧化脱氢脱羧生成NADPH及中间产物为核苷酸和氨基酸合成前体提供原料的过程，G6P脱氢酶为该途径限速酶。6-磷酸葡萄糖由糖酵解产生。PPP生成的NADPH在免疫细胞中有多种生物学效应。中性粒细胞和炎症巨噬细胞可利用PPP及NADPH产生活性氧(ROS)发挥抗感染作用。NADPH还可作为抗氧化剂防止组织细胞的过度损伤。

在巨噬细胞中：
M1巨噬细胞需要依赖磷酸戊糖途径产生的NADPH，从而快速产生ROS，以清除病原体。并产生抗氧化剂，避免过度的组织损伤。同时M1巨噬还可以利用核苷酸合成相关功能，生成非编码RNA。
M2巨噬细胞则通过CARKL（碳水化合物激酶样蛋白，SHK景天庚糖激酶）限制磷酸戊糖途径。
在DC中：
DC细胞通过NADPH相关功能支持DC的脂质合成，从而顺利进行胞吞胞吐。

3. TCA循环和ETC为代谢的核心枢纽

TCA循环和线粒体电子传递链(ETC)生成的能量对机体代谢至关重要，是一种高效利用能量的方式。TCA循环的主要产物是NADH 和 FADH2，它们可以传递电子到呼吸链，通过氧化磷酸化产生ATP。正常静息态细胞一般通过TCA循环供能。与糖酵解相比，OXPHOS生成能量更有效且与体内免疫细胞的寿命有关。在巨噬细胞促炎活化过程中，TCA循环通过下调IDH和SDH活性而被重构，后者通过活化髓细胞中ACOD1/IRG1产生特异性免疫调节代谢物衣康酸直接抑制而实现。

从糖代谢的角度来说，起点是丙酮酸；从脂代谢的角度来说，起点是脂肪酸

M2巨噬：1. 可以进行完整的TCA循环，与氧化磷酸化偶连从而提供大量的ATP；2. 产生UDP-GlcNAc中间产物，这些中间产物对于M2相关受体如甘露糖受体的糖基化至关重要；3. M2相关受体的糖基化修饰：甘露糖受体。M1巨噬不能进行完整的TCA循环，存在两处断裂：1. 乙酰辅酶a生成柠檬酸后不能顺利生成异柠檬酸，柠檬酸累积并出线粒体，可以生成脂肪酸（用于生物膜的合成）、合成NO和前列腺素等巨噬细胞效应分子、生成衣康酸。2. 部分正常向下转化的柠檬酸转化为琥珀酸之后无法顺利生成延胡索酸，累积的琥珀酸可以促进HIF-1a和IL1b及其他多种细胞因子的产生。

三羧酸循环与糖基化修饰和乙酰化修饰

M2型巨噬可以进行完整的TCA循环，其中间产物UDP-GlcNAc (N-乙酰氨基葡萄糖)对于M2相关受体如C型凝集素受体和甘露糖受体的糖基化至关重要。

乙酰化修饰通过多种机制影响蛋白质功能，包括调节蛋白质稳定性，酶活性，亚细胞定位和与其他翻译后修饰的crosstalk以及通过调控蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA相互作用等。
乙酰辅酶A是三羧酸循环的起点。乙酰化是通过赖氨酸乙酰转移酶（KAT）将乙酰基从乙酰辅酶A转移到赖氨酸的ε-氨基侧链而产生的。这个过程可以被赖氨酸脱乙酰酶（KDAC）逆转。乙酰辅酶A是细胞发挥功能的关键代谢产物，可以由线粒体中的代谢产生，也可以由细胞质中脂质合成。由于乙酰辅酶A无法穿越细胞膜结构，所以乙酰辅酶A的线粒体和非线粒体库均是独立产生。
乙酰化修饰与乙酰辅酶A水平直接相关，特定细胞区域产生的乙酰辅酶A可使局部驱动乙酰化。据报道，ACLY，ACSS2和PDC通过局部产生乙酰辅酶A来调节组蛋白乙酰化和基因转录。在小鼠实验中，同时敲除乙酰辅酶A羧化酶1（ACC1）和乙酰辅酶A羧化酶2（ACC2）都会使蛋白乙酰化水平升高，推测是由于敲除了ACC1和ACC2导致乙酰辅酶A水平升高造成的。

4. 脂肪酸代谢（氧化和合成）支持免疫细胞的表型和功能

脂肪酸氧化(FAO)是肉碱棕榈酰转移酶1和2 (CPT1和CPT2)将长链脂肪酸转运到线粒体基质后（短链脂肪酸可以自由扩散进线粒体）经羟酰基辅酶a氧化为乙酰辅酶a、NADH和FADH2并生成能量的过程。高浓度的CPT1抑制剂依托莫西实验表明FAO在IL-4诱导的巨噬细胞、记忆性T细胞和调节性T细胞（Tregs）中尤为重要。然而，最近对CPT1和CPT2应用细胞特异性基因敲除的文献报道表明，FAO在此过程中很少。

与FAO相反，FAS是乙酰辅酶a羧化酶(ACC)将乙酰辅酶a羧化为丙二酰辅酶a，后脂肪酸合酶(FASN)将丙二酰辅酶a延长为脂质的合成过程。FAS支持效应T细胞增殖，是配置巨噬细胞炎症信号的质膜的关键，也是促进活化的DCs分泌细胞因子的关键。

脂肪酸合成主要发生在效应免疫细胞中：增加营养摄取，代谢中间产物，供给生物合成（细胞合成，生长）；脂质氧化主要发生于调节性免疫细胞，有限营养，利用效率高（提供能量）

脂肪酸代谢与丙二酰化修饰

FAS是乙酰辅酶a羧化酶(ACC)将乙酰辅酶a羧化为丙二酰辅酶a，用于合成脂肪酸或胆固醇。丙二酰辅酶a可以作为丙二酰化修饰的底物，添加一个丙二酰基团到赖氨酸残基。SIRT5是目前已知的唯一的去丙二酰化酶。在促炎性巨噬细胞中，GAPDH可以被丙二酰化修饰，增强其糖酵解活性，降低其RNA结合能力，促进促炎性细胞因子TNFa，Il1b和IL6等的产生。
在脂肪酸合成酶被抑制的情况下，mTOR可以发生丙二酰化修饰，从而降低mTORC1的活性，引起内皮细胞血管生成功能受损。

5. 氨基酸代谢

mTOR和AMPK通路是机体调控代谢的关键环节（跷跷板）

6. 不同免疫细胞间氨基酸代谢率存在差异

T细胞免疫活化与氨基酸代谢需求增加相关，如Ⅰ型氨基酸转运蛋白1 (LAT1、CD98和SLC7A5)及TCR对信号转导的丝氨酸途径尤为重要。氨基酸在调节免疫反应的特定方向也发挥一定作用，如Th1和Th17细胞通过转运蛋白ASCT2可增加谷氨酰胺用量应对抗原刺激，抗炎Treg则不受谷氨酰胺供应改变的影响。谷氨酰胺酶(GLS)将谷氨酰胺转化为谷氨酸为TCA循环提供燃料，该途径可促进Th17分化，同时降低Th1和细胞毒性T淋巴细胞的分化程度。

氨基酸在炎性巨噬细胞中也有重要的调节功能。谷氨酰胺代谢与抗炎极化有关，丝氨酸代谢与IL-1b的产生有关。此外，氨基酸可促使巨噬细胞产生效应分子。LPS(+IFNγ)诱导的巨噬细胞主要通过诱导NO合成酶(iNOS)将精氨酸转化为一氧化氮(NO)，IL-4诱导的巨噬细胞则主要将精氨酸代谢为鸟氨酸和多胺。

展望

参考文献：

1. A guide to immunometabolism for immunologists
2. Immunometabolism in the Single-Cell Era