巨噬細(xì)胞在體內(nèi)廣泛分布，它們吞噬異物并消除細(xì)菌，在人體對抗各種疾病的過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，巨噬細(xì)胞的過度炎性激活也可能引發(fā)系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)綜合征（SIRS），也就是人們常說的細(xì)胞因子風(fēng)暴，這正是新冠肺炎死亡的主要誘因。因此，炎性巨噬細(xì)胞必須受到精確調(diào)控，以避免嚴(yán)重的副作用。

 

之前的研究表明，巨噬細(xì)胞的炎性表型受到葡萄糖代謝的調(diào)控，不過具體的調(diào)控過程如何，目前還不是很清楚。近日，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院黃波教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》雜志上發(fā)表了題為“Glycogen metabolism regulates macrophage-mediated acute inflammatory responses”的論文，揭示了糖原代謝調(diào)控巨噬細(xì)胞炎性途徑的兩個(gè)主要機(jī)制，對急性炎癥性疾病的治療具有潛在意義。同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院免疫學(xué)系的馬婧薇副教授、2017級博士生位珂珂以及協(xié)和醫(yī)院心外科劉雋煒副主任醫(yī)師為這篇論文的共同第一作者。黃波教授為論文通訊作者。

 

 

糖原（glycogen）是體內(nèi)重要的碳水化合物燃料儲備，主要存在于肝細(xì)胞和肌細(xì)胞中。樹突狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中的糖原代謝已經(jīng)有報(bào)道。黃波團(tuán)隊(duì)之前的研究發(fā)現(xiàn)，記憶性T細(xì)胞通過糖原代謝調(diào)節(jié)記憶的形成和維持。在這種代謝模型中，糖原主要不是提供能量，而是通過產(chǎn)生NADPH 和還原型谷胱甘肽來提供細(xì)胞抗氧化的有效途徑。這些發(fā)現(xiàn)表明，糖原可能通過代謝途徑發(fā)揮重要的生物學(xué)作用，而不僅僅是糖原的作用。

 

糖原代謝調(diào)控巨噬細(xì)胞炎性表型

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)聚焦了糖原在炎性巨噬細(xì)胞中的作用。首先，他們分別培養(yǎng)了來源于小鼠骨髓的未經(jīng)處理的巨噬細(xì)胞、IFN-γ/LPS處理的炎性巨噬細(xì)胞以及IL-4處理的抗炎巨噬細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)炎性巨噬細(xì)胞中的糖原顯著增加。之后，他們向巨噬細(xì)胞培養(yǎng)基中添加了[U6]-13C-葡萄糖。與對照組相比，炎性巨噬細(xì)胞中的m + 6 G6P/G1P顯著增加，同時(shí)m + 6 UDPG的含量更高，表明炎性巨噬細(xì)胞利用糖原作為代謝途徑。

 

而糖原的合成是從6-磷酸葡萄糖（G6P）轉(zhuǎn)化成1-磷酸葡萄糖（G1P）開始的。研究人員猜想，炎性巨噬細(xì)胞中的G6P可能來自糖酵解。他們發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞攝取了較多的葡萄糖，上調(diào)了葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Slc2a1/2和己糖激酶（Hk1/2/3），導(dǎo)致G6P產(chǎn)量增加。幾個(gè)基因敲除實(shí)驗(yàn)證明了他們的猜想，表明炎性巨噬細(xì)胞利用糖酵解來源的G6P來啟動(dòng)糖原合成（圖1）。

圖1. 糖原在炎性巨噬細(xì)胞中合成

 

合成的糖原儲存在細(xì)胞質(zhì)中或進(jìn)入糖原分解途徑進(jìn)行降解。研究人員發(fā)現(xiàn)，負(fù)責(zé)糖原降解的酶，如糖原磷酸化酶Pgyl和Pygm，在經(jīng)過IFN-γ/LPS處理的巨噬細(xì)胞中上調(diào)，這表明炎性巨噬細(xì)胞具有糖原分解活性。13C示蹤等實(shí)驗(yàn)表明，作為中心代謝產(chǎn)物的G6P進(jìn)入磷酸戊糖途徑（PPP）。

 

磷酸戊糖途徑的生物學(xué)意義之一是NADPH的產(chǎn)生，這能夠促進(jìn)還原性谷胱甘肽的產(chǎn)生，從而維持細(xì)胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)。與預(yù)期一致，他們在經(jīng)過IFN-γ/LPS處理的巨噬細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了較高水平的NADPH，且還原型/氧化型谷胱甘肽的比例高于對照的巨噬細(xì)胞。

利用G6pdx siRNA或G6pdx抑制劑6AN阻斷磷酸戊糖途徑后，NAPDH水平和還原型/氧化型谷胱甘肽比例有效降低，但巨噬細(xì)胞中的活性氧水平升高（圖2）。這些數(shù)據(jù)表明糖原的代謝產(chǎn)物G6P進(jìn)入磷酸戊糖途徑，產(chǎn)生豐富的NADPH，維持高水平還原型谷胱甘肽，及時(shí)清除細(xì)胞內(nèi)的自由基，從而維持炎性巨噬細(xì)胞的存活。

圖2. 磷酸戊糖途徑調(diào)控巨噬細(xì)胞的表型、功能和存活

 

  通過UDPG調(diào)控巨噬細(xì)胞的炎性激活  

與此同時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)，糖原代謝也增加了巨噬細(xì)胞中的尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）水平。在糖原合成時(shí)，1-磷酸葡萄糖（G1P）經(jīng)尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（Ugp2）生成UDPG。UDPG通過轉(zhuǎn)移葡萄糖基團(tuán)完成糖原的合成；同時(shí)，UDPG還通過高爾基體分泌至細(xì)胞外，并作為信號分子與巨噬細(xì)胞膜表面的嘌呤能受體P2Y14結(jié)合。

 

通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)UDPG/P2Y14信號通路通過激活細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子RARβ而上調(diào)STAT1的表達(dá)（圖3）。同時(shí)，P2Y14信號通路通過下調(diào)T細(xì)胞蛋白酪氨酸磷酸酶45（TC45）促進(jìn)STAT1的磷酸化。作為控制巨噬細(xì)胞炎性表型的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，STAT1的表達(dá)上調(diào)及磷酸化最終導(dǎo)致了巨噬細(xì)胞的炎性激活。

圖3. UDPG/P2Y14信號通路調(diào)控STAT1的表達(dá)

 

  巨噬細(xì)胞的糖原代謝調(diào)節(jié)體內(nèi)的炎癥反應(yīng)  

接下來，研究人員驗(yàn)證了巨噬細(xì)胞糖原代謝在體內(nèi)的意義。在LPS誘導(dǎo)的急性腹膜炎小鼠模型中，他們發(fā)現(xiàn)UDPG水平升高，并伴有炎性細(xì)胞因子（TNF和IL-6）以及NO的表達(dá)。不過，糖原磷酸化酶抑制劑（GPI）或G6pdx抑制劑（6AN）的處理導(dǎo)致UDPG水平降低，并明顯抑制了炎性基因的表達(dá)。

 

此外，所有未經(jīng)治療的小鼠均死于LPS誘發(fā)的腹膜炎，但大多數(shù)接受GPI或6AN治療的小鼠仍然存活。之后，研究人員利用盲腸結(jié)扎和穿刺（CLP）誘導(dǎo)的膿毒癥小鼠模型，進(jìn)一步說明了糖原代謝在急性炎癥性疾病中的作用。P2Y14敲除小鼠進(jìn)一步證實(shí)了P2Y14信號調(diào)節(jié)體內(nèi)的炎癥反應(yīng)，通過RARβ或STAT1過表達(dá)來挽救這種促炎基因下調(diào)。總之，這些結(jié)果表明巨噬細(xì)胞中的糖原代謝調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)。

 

最后，考慮到巨噬細(xì)胞在人類炎癥疾病和上述膿毒癥小鼠模型中的關(guān)鍵作用，他們又進(jìn)一步研究了糖原代謝是否與人SIRS或膿毒癥有關(guān)。他們發(fā)現(xiàn)患者CD14+單核細(xì)胞中的糖原水平高于健康對照，而GPI或6AN的處理會導(dǎo)致UDPG水平降低和炎性基因的表達(dá)下調(diào)。這些結(jié)果表明糖原代謝也調(diào)控膿毒癥患者的炎癥反應(yīng)。

圖4. 糖原代謝調(diào)控巨噬細(xì)胞

 

總而言之，這項(xiàng)研究清晰說明，糖原代謝調(diào)控了巨噬細(xì)胞的炎性表型。這條代謝途徑不僅增強(qiáng)了磷酸戊糖途徑，產(chǎn)生NADPH用于抗氧化和細(xì)胞存活，還觸發(fā)了UDPG-P2Y14信號通路，促進(jìn)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子STAT1的表達(dá)和活性。作者認(rèn)為，這條代謝途徑有望為炎癥性疾病的治療帶來新策略。

 

原文檢索：

Ma, J., Wei, K., Liu, J. et al. Glycogen metabolism regulates macrophage-mediated acute inflammatory responses. Nat Commun 11, 1769 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15636-8