复旦大学范晓勇课题组揭示亚油酸增强卡介苗诱导训练免疫的机制

论文索引

【题目】Multi-omics analysis reveals that linoleic acid metabolism is associated with variations of trained immunity induced by distinct BCG strains

【期刊】SCIENCE ADVANCES

【发表时间】2024年4月5日

【IF】11.7（1区）

【单位/通讯作者】复旦大学范晓勇团队

【关键词】卡介苗；多组学；亚油酸代谢；佐剂

卡介苗（Bacille Calmette-Guérin，BCG）自1921年首次用于人体接种以来，已成为全球预防结核病的重要疫苗。最新研究揭示，BCG不仅能够激活固有免疫细胞（如巨噬细胞）的代谢途径，还能通过表观遗传修饰等手段，增强机体对后续刺激的免疫应答，这一现象被称为"训练性免疫"（Trained immunity）。训练性免疫是BCG发挥非特异性免疫保护作用的关键机制之一。

2024年4月5日，复旦大学范晓勇课题组在《SCIENCE ADVANCES》发表题目为“Multi-omics analysis reveals that linoleic acid metabolism is associated with variations of trained immunity induced by distinct BCG strains”的研究论文。作者发现卡介苗（BCG）疫苗接种可针对老年人的病毒性呼吸道感染提供非特异性保护，目前BCG菌株种类被分为四类，为了阐明不同卡介苗诱导的各种非特异性效应是否与训练的免疫力有关，该论文研究了四种广泛使用的不同BCG在体内/外模型中诱导训练免疫。数据显示，不同的BCG菌株在体外和小鼠模型中诱导了不同水平的训练免疫和非特异性保护，并且通过多组学分析（表观基因组学、转录组学和代谢组学）发现，亚油酸代谢能力与不同卡介苗的免疫诱导能力相关，揭示了未确定的诱导训练免疫的潜在佐剂。

研究思路

研究结果

1. 四种卡介苗在体内诱导了不同水平的训练免疫

为了评估不同卡介苗（BCG）菌株对小鼠体内免疫训练的诱导效应，研究者选取了四种常用BCG疫苗：BCG-Russia（I类）、BCG-Sweden（II类）、BCG-China（III类）及BCG-Pasteur（IV类），通过静脉接种小鼠并收集骨髓细胞（BMC）进行流式细胞术分析。结果显示，各BCG均显著促进了BMC中造血干细胞（HSC）及其祖细胞谱系LSK（Sca-1+c-Kit+）的扩增（图1A-F）。特别是BCG-China与BCG-Pasteur在诱导长期HSCs衍生的MPP（多能祖细胞）上表现优于BCG-Russia和BCG-Sweden（图1C, E, G-I），表明菌株间在促进HSC扩增上存在差异。

图1. 卡介苗疫苗接种诱导了造血干细胞扩张

为验证免疫训练效果，非特异性保护实验结合血清细胞因子分析及GSVA（基因集变异分析）显示，BCG-Sweden、BCG-China及BCG-Pasteur组小鼠较BCG-Russia组及对照组产生了更多炎症细胞因子（图2B-D），且BCG-China与BCG-Pasteur组在激活骨髓淋巴细胞与髓样细胞发育、增殖及免疫功能方面表现更为突出（图2F）。此外，BCG-Sweden与BCG-China组还展现出增强的代谢与信号转导活性（图2G），并显著减少了小鼠体重下降、延长了生存期（图2I, J）。综上，四株BCG在体内诱导了不同强度的非特异性保护反应。

图2. 四种卡介苗在体内诱导不同水平的细胞因子和非特异性保护

2. 四种卡介苗菌株在BMDM中诱导了不同程度的非特异性保护

为深入比较不同BCG菌株诱导的免疫训练效应，研究人员在体外实验中，利用BCG预处理骨髓来源巨噬细胞（BMDM）24小时，随后以LPS进行再刺激（图3A,E）。结果表明，与对照组和BCG-Russia组相比，BCG-China和BCG-Pasteur培养的巨噬细胞在LPS再刺激后表现出更高水平的炎性细胞因子（图3B-D和F-H），揭示了四种BCG菌株在诱导BMDM产生训练免疫方面存在差异性，其中BCG-China展现出最强的训练效果，而BCG-Russia则最弱，这预示着它们在增强非特异性抗感染或抗肿瘤能力上的不同潜力。

图3. 4种卡介苗在体外诱导不同程度的细胞因子和非特异性保护

3. 由不同卡介苗训练的巨噬细胞具有不同的转录谱 

研究团队采用RNA-seq分析BMDM训练后的转录特性，发现BCG训练后的BMDM表现出不同程度的基因表达差异，与免疫系统相关的基因显著上调、激活了相关的信号通路，代谢分析也证实了这一点，并且其影响在BCG-China和BCG-Pasteur训练的细胞中最为明显（图4）。综上，RNA-seq不仅揭示了差异表达基因，还揭示了BCG菌株在免疫训练中的差异效应。

图4.BCG训练后BMDM的转录组特征

4. 由不同卡介苗培养的巨噬细胞具有不同的表观遗传景观

通过ATAC-seq，研究人员深入剖析了BCG训练对BMDM染色体结构的影响。结果显示，BCG训练组（尤其是BCG-China与BCG-Pasteur）相较于对照组，识别出的高置信度开放染色质区域数量展现出大幅增加（图5A），直接体现了训练诱导的染色体可及性广泛提升。转录起始位点（TSS）周围的ATAC信号显著增强，且BCG-China组最突出（图5B），提示了这些区域在基因表达调控中的关键作用。

图5. ATAC分析结果：A)经训练的BMDM的全基因组染色质可及性的circos图；B)转录起始位点（TSS）区域信号富集图

BCG训练诱导的差异峰集中于基因内含子、基因间区及TSS，标注2146个关键基因，主要涉及细胞活化与应激响应，特别是免疫相关基因染色质可及性提升，增强免疫训练效应（图6）

图6. ATAC分析结果：C)基因位点上的差异ATAC信号富集分布；D)具有差异ATAC信号富集的基因的韦恩图

与转录组RNA-seq数据相呼应，携带差异ATAC峰（GAP）的基因同样显著富集于免疫系统相关通路，进一步证实了BCG训练对免疫基因表达调控的深刻影响（图7E）。

图7. ATAC分析结果：E)BCG训练组之间的热图比较，具有差异ATAC信号富集基因的KEGG富集分析气泡图（FDR< 0.05）

此外，研究还揭示了Akt-mTOR-HIF及糖酵解途径相关基因在训练后的染色质可及性提升，暗示了BCG训练可能通过优化能量代谢与信号传导网络，来增强巨噬细胞的免疫响应能力（图8G，H）。

图8. G)参与HIF-1信号通路的基因的ATAC信号；H)糖酵解相关基因的ATAC信号，数据代表三个独立的生物学重复

5. 甘油磷脂-亚油酸代谢参与介导BCG-China和BCG-Russia诱导的训练免疫差异

代谢组学检测被用来描绘经训练的BMDMs的代谢图谱。通过分析，经过训练的BMDMs与对照组相比具有不同的代谢图谱，此外亚油酸及其衍生物在BCG-Sweden、BCG-China和BCG-Pasteur组中表现为不同程度的升高。而在四种BCG菌株中，BCG-China和BCG-Russia分别诱导了最强和最弱的训练免疫。为了探索导致异质性的机制，研究团队进行了联合多组学分析，发现BCG-China组的免疫训练效果优于BCG-Russia组（图9）。

图9. BCG-China和BCG-Russia训练的免疫组的比较多组学分析

为了评估甘油磷脂-亚油酸代谢是否参与BCG诱导的训练免疫，在用BCG训练BMDMs时添加了亚油酸作为补充剂，发现BCG-China组训练的BMDMs比BCG-Russia组具有更高的亚油酸代谢，亚油酸补充增强了BCG诱导的训练免疫。

图10. 亚油酸代谢增强了卡介苗诱导的训练免疫力

讨 论

本项研究开创性地对不同BCG菌株的非特异性免疫保护效果进行了比较分析，通过整合RNA-seq、ATAC-seq和代谢组等多组学分析，发现巨噬细胞的转录组学、表观基因组学和代谢组学谱存在显着差异，并且四种主要卡介苗菌株在体外和体内诱导非特异性保护的相关途径上存在差异。研究还揭示了甘油磷脂-亚油酸代谢参与卡介苗诱导的训练免疫，并且亚油酸可以作为补充剂增强BCG诱导训练免疫，提出了可用于佐剂开发的训练免疫诱导信号通路。

该研究不仅深化了我们对BCG诱导训练免疫机制的理解，还为开发新型免疫佐剂、提高疫苗效果提供了重要理论基础和实验依据。未来，通过进一步优化亚油酸的应用策略，有望为传染病防控、癌症免疫治疗等领域带来新的突破。