天津醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院免疫系、天津市免疫學(xué)研究所余秋景教授最近在Cell Mol Immunol.（2022-9-30）雜志發(fā)表了題為“Serine Metabolism Orchestrates Macrophage Polarization by Regulating the IGF1-p38 Axis”的研究論文，解析了磷酸甘油脫氫酶（PHGDH）及絲氨酸代謝調(diào)控巨噬細(xì)胞極化及其在抗腫瘤免疫作用的新發(fā)現(xiàn)，賽業(yè)生物俞曉峰博士就此研究最新成果，特別是該研究中對(duì)PHGDH基因未知功能的創(chuàng)新探索研究方面，對(duì)余秋景教授進(jìn)行了特邀專(zhuān)訪。
 

「訪談實(shí)錄」
俞曉峰博士：
巨噬細(xì)胞的極化（比如M1巨噬細(xì)胞與M2巨噬細(xì)胞間兩級(jí)分化）作用在抗感染及抗腫瘤作用機(jī)制研究方面非常熱門(mén)，余老師在研究中提出將絲氨酸代謝與巨噬細(xì)胞的極化作用聯(lián)系在一起的假設(shè)，是以哪些前期相關(guān)研究工作為基礎(chǔ)的？

余秋景教授：
巨噬細(xì)胞激活到不同極化狀態(tài)，可在包括宿主防御、炎癥、和腫瘤的發(fā)展等過(guò)程中執(zhí)行不同的功能。在腫瘤發(fā)展初期也就是急性炎癥期，大多數(shù)免疫細(xì)胞可殺滅病原、促進(jìn)組織修復(fù)和阻止腫瘤生長(zhǎng)；并且利用刺激物和炎性因子激活免疫系統(tǒng)，進(jìn)而發(fā)揮抑癌的作用。其中巨噬細(xì)胞可由IFNγ、TNF-α和IL-1等多種細(xì)胞因子和/或細(xì)菌脂多糖等病原相關(guān)分子模式（PAMPs）, HMGB1等損傷相關(guān)的分子模式（DAMPs）經(jīng)典激活成M1巨噬細(xì)胞,表達(dá)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶與IL-6、IL-1β和TNF-α等促炎細(xì)胞因子，表現(xiàn)出殺菌、促炎和抗腫瘤功能。

如果急性炎癥反應(yīng)不能及時(shí)消退，就會(huì)轉(zhuǎn)化為慢性炎癥，慢性炎癥產(chǎn)生的細(xì)胞因子通過(guò)改變癌基因和抑癌基因表達(dá)、誘導(dǎo)癌基因和抑癌基因突變和轉(zhuǎn)化、誘導(dǎo)血管新生，抑制細(xì)胞凋亡，募集多種免疫抑制性細(xì)胞（如MDSC、Treg等）促進(jìn)免疫抑制腫瘤微環(huán)境（TME）的建立，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生和發(fā)展。其中巨噬細(xì)胞由IL-4，IL-10，TGFβ和乳酸等替代激活成M2巨噬細(xì)胞，產(chǎn)生精氨酸酶1（ARG1）、抵抗素樣α（Retn1a）、巨噬細(xì)胞半乳糖型凝集素1和抗炎細(xì)胞因子如IL-10。因此，M2巨噬細(xì)胞執(zhí)行組織修復(fù)、抗炎和促腫瘤功能。腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（TAM）被認(rèn)為大多數(shù)屬于M2激活的范圍，因?yàn)樗鼈兙哂锌寡�、免疫抑制和組織重塑效應(yīng)。

巨噬細(xì)胞的激活與細(xì)胞代謝的變化密切相關(guān)。在巨噬細(xì)胞激活過(guò)程中，各種代謝通路被重新編程以適應(yīng)細(xì)胞功能的變化，從而促進(jìn)專(zhuān)門(mén)的免疫表型。某些最早發(fā)生的氨基酸的代謝改變是定義巨噬細(xì)胞類(lèi)型最重要的特征，如L-精氨酸在M1巨噬細(xì)胞中被iNOS轉(zhuǎn)化為NO，在M2巨噬細(xì)胞中被ARG1代謝。此外，谷氨酰胺已被證明可以通過(guò)產(chǎn)生α-酮戊二酸而協(xié)調(diào)巨噬細(xì)胞極化。然而，其他氨基酸的新陳代謝是否對(duì)在微調(diào)巨噬細(xì)胞中極化有作用，在很大程度上是未知的。

我們的研究發(fā)現(xiàn)，抑制絲氨酸生物合成途徑中的關(guān)鍵酶磷酸甘油脫氫酶（PHGDH）的活性或通過(guò)限制外源性絲氨酸和甘氨酸的攝取來(lái)抑制絲氨酸代謝，在體外和體內(nèi)都能增強(qiáng)IFNγ激活的巨噬細(xì)胞M（IFN-γ）的極化，并抑制IL-4激活的巨噬細(xì)胞M（IL-4）的極化。機(jī)制實(shí)驗(yàn)表明，絲氨酸代謝不足可通過(guò)減少啟動(dòng)子上依賴(lài)S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的組蛋白H3賴(lài)氨酸27三甲基化（H3K27me3）豐度來(lái)增加IGF1的表達(dá)。然后IGF1激活p38依賴(lài)的JAK-STAT1軸，促進(jìn)M（IFN-γ）極化，抑制STAT6介導(dǎo)的M（IL-4）激活。該研究揭示了絲氨酸代謝調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化的新機(jī)制，并提示絲氨酸代謝的調(diào)控可作為巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的免疫疾病的治療策略。

俞曉峰博士：
余老師通過(guò)體內(nèi)外研究結(jié)果表明，磷酸甘油脫氫酶（PHGDH）基因表達(dá)有助于M2巨噬細(xì)胞的極化作用，抑制M1巨噬細(xì)胞極化作用。一般情況下，M1巨噬細(xì)胞具有促炎抗腫瘤作用，而M2巨噬細(xì)胞則具有抗炎促腫瘤作用。根據(jù)PHGDH基因在調(diào)控巨噬細(xì)胞極化方面所發(fā)揮的影響作用，還請(qǐng)余老師與我們分析解讀PHGDH基因潛在基本功能？

余秋景教授：
要解釋PHGDH，就要從絲氨酸開(kāi)始說(shuō)起。絲氨酸是一種非必需氨基酸，可以參與細(xì)胞增殖。絲氨酸既可以從頭合成，也可以從微環(huán)境中攝入。在從頭合成過(guò)程中，糖酵解衍生的3-磷酸甘油酸（3-PG）最終可以通過(guò)一系列的酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化為絲氨酸，其中第一個(gè)關(guān)鍵步驟是由PHGDH催化3-磷酸甘油酸氧化為3-磷酸氧基丙酮酸。絲氨酸促進(jìn)一個(gè)相互連接的代謝途徑網(wǎng)絡(luò)一碳代謝，通過(guò)一碳單位的轉(zhuǎn)移促進(jìn)核苷酸、S-腺苷蛋氨酸（SAM）、還原的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）、以及谷胱甘肽（GSH）的生物合成。絲氨酸衍生的一碳代謝不僅支持癌癥和T細(xì)胞增殖的核苷酸合成，還可通過(guò)GSH合成或SAM介導(dǎo)的組蛋白甲基化促進(jìn)脂多糖（LPS）誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IL-1β。

文獻(xiàn)表明PHGDH具有多種酶活性及催化功能，當(dāng)然除催化3-磷酸甘油酸外，PHGDH還可以產(chǎn)生除絲氨酸以外的代謝物，PHGDH可使α-酮戊二酸還原成D-2HG，D-2HG是異檸檬酸脫氫酶（IDH）突變后產(chǎn)生的一種腫瘤細(xì)胞代謝產(chǎn)物，D-2HG可以對(duì)腫瘤細(xì)胞本身產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，也可以使細(xì)胞向癌變方向轉(zhuǎn)化，這也部分解釋了PHGDH高表達(dá)時(shí)其致癌功能。PHGDH還可催化（S）-蘋(píng)果酸氧化為草酰乙酸酯。研究發(fā)現(xiàn)PHGDH可通過(guò)上調(diào)目標(biāo)促癌基因，以非代謝方式促進(jìn)某些腫瘤的生長(zhǎng)。此外，PHGDH還可增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對(duì)氧化應(yīng)激的抵抗力，這反過(guò)來(lái)可能與腫瘤細(xì)胞增強(qiáng)的轉(zhuǎn)移特性有關(guān)。

俞曉峰博士：
PHGDH作為絲氨酸生物合成的關(guān)鍵酶，在揭示絲氨酸代謝作用機(jī)制的研究中，我們注意到余老師應(yīng)用Phgdh fl/fl x Lyz2-Cre小鼠實(shí)現(xiàn)在髓系單核巨噬細(xì)胞細(xì)胞中特異性敲除小鼠Phgdh基因，驗(yàn)證了該基因?qū)�巨噬�?xì)胞極化及絲氨酸代謝介導(dǎo)作用至關(guān)重要，余老師也通過(guò)體外在相關(guān)細(xì)胞系中過(guò)表達(dá)PHGDH的方式證實(shí)其相關(guān)作用，余老師有沒(méi)有考慮過(guò)在小鼠體內(nèi)過(guò)表達(dá)PHGDH基因，從另外一個(gè)方面驗(yàn)證PHGDH基因的功能？

余秋景教授：
目前已知的文獻(xiàn)，據(jù)我所知，動(dòng)物模型大多數(shù)為PHGDH全身敲除和組織特異性敲除PHGDH的小鼠模型。在小鼠體內(nèi)過(guò)表達(dá)PHGDH是否能驗(yàn)證PHGDH基因的功能，是一個(gè)值得考慮的問(wèn)題。如果從PHGDH在絲氨酸從頭合成中重要的酶促作用出發(fā)，PHGDH過(guò)表達(dá)在有不同絲氨酸濃度的器官組織中的作用很可能不同。譬如，由于飲食中的絲氨酸不能有效通過(guò)血腦屏障，大腦中的絲氨酸濃度較低，腦細(xì)胞較依賴(lài)絲氨酸的從頭合成。

以往臨床和小鼠實(shí)驗(yàn)的科研成果顯示PHGDH的神經(jīng)系統(tǒng)突變或者表達(dá)減少造成包括腦萎縮和癲癇發(fā)作等大腦病癥。最近一篇發(fā)表在《Cell Metabolism》雜志上題為“PHGDH expression increases with progression of Alzheimer’s disease pathology and symptoms”的文章，揭示了與年齡和性別匹配的對(duì)照組大腦相比，阿爾茨海默病患者的四個(gè)人類(lèi)隊(duì)列和兩種阿爾茨海默病小鼠模型中的PHGDH mRNA和蛋白水平都有所增加。人腦中PHGDH表達(dá)的增加與阿爾茨海默病癥狀的發(fā)展和病理程度密切相關(guān)。因此探索PHGDH在小鼠中的腦中過(guò)表達(dá)對(duì)某些大腦發(fā)育和退行性疾病的發(fā)生發(fā)展可能是有意義的工作。

俞曉峰博士：
應(yīng)用髓系單核巨噬細(xì)胞特異性Phgdh敲除小鼠抗腫瘤形成實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該基因敲除具有抑制腫瘤細(xì)胞系（比如LLC小鼠肺癌細(xì)胞）在小鼠體內(nèi)生長(zhǎng)的作用，記得余老師以前也有應(yīng)用Phgdh特異性敲除的小鼠模型，揭示了該基因在抗病毒感染方面的相關(guān)作用機(jī)制，能否也請(qǐng)余老師在此也與我們簡(jiǎn)單分享一下？

余秋景教授：
先天免疫是宿主抵御外界感染的第一道重要防線，抗病毒先天免疫如何受到宿主代謝活動(dòng)的影響是一個(gè)有待研究的有趣問(wèn)題。前期研究發(fā)現(xiàn)膽固醇和葡萄糖代謝網(wǎng)絡(luò)可以共同調(diào)控抗病毒先天免疫的激活，但其他宿主代謝活動(dòng)（如氨基酸代謝等）是否以及如何影響抗病毒先天免疫在很大程度上尚待闡明。

帶著這個(gè)問(wèn)題出發(fā)，我們研究團(tuán)隊(duì)首先檢測(cè)了病毒感染后巨噬細(xì)胞中絲氨酸、甘氨酸、一碳代謝相關(guān)基因的變化水平，結(jié)合代謝組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)病毒感染能顯著抑制絲氨酸從頭合成相關(guān)基因表達(dá)及代謝物的產(chǎn)生。而絲氨酸作為一種非必需氨基酸，既可以從微環(huán)境中吸收，也可以利用糖酵解產(chǎn)生的3-PG通過(guò)PHGDH的催化經(jīng)一系列酶促反應(yīng)產(chǎn)生。所以我們這個(gè)課題主要從絲氨酸代謝對(duì)宿主抗病毒先天免疫的影響這一角度展開(kāi)。我們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)基因水平敲低PHGDH或用抑制劑CBR-5884抑制PHGDH活性，以及限制外源性絲氨酸和甘氨酸的攝取，均可以增強(qiáng)IFN-β介導(dǎo)的體內(nèi)外抗病毒先天免疫。

機(jī)制實(shí)驗(yàn)表明，病毒感染或絲氨酸代謝缺陷通過(guò)抑制S-腺苷蛋氨酸依賴(lài)的H3K27me3在ATP6V0d2啟動(dòng)子的富集，進(jìn)而增加V-ATPase亞單位ATP6V0d2的表達(dá)。ATP6V0d2促進(jìn)了YAP溶酶體的降解，解除了YAP對(duì)TBK1-IRF3軸的阻斷，從而促進(jìn)了IFN-β的產(chǎn)生。我們這項(xiàng)研究揭示了代謝酶PHGDH和關(guān)鍵免疫代謝產(chǎn)物絲氨酸的病毒免疫調(diào)節(jié)作用，揭示了絲氨酸代謝是細(xì)胞代謝、抗病毒天然免疫和表觀遺傳調(diào)控的中心整合樞紐，為病毒感染的代謝靶向治療提供了新策略。

該研究成果以長(zhǎng)文形式在《Cell Metabolism》雜志發(fā)表題為“Serine Metabolism Antagonizes Antiviral Innate Immunity by Preventing ATP6V0d2-mediated YAP Lysosomal Degradation”的研究論文（2021，最后通訊）。Cell Metab.同期專(zhuān)題評(píng)述對(duì)這一研究給予了高度評(píng)價(jià)，評(píng)述研究中“新的代謝-表觀-免疫調(diào)節(jié)機(jī)制擴(kuò)展了我們對(duì)感染誘導(dǎo)的代謝重編程如何塑造表觀基因組和基因調(diào)控以對(duì)抗病毒的了解”。

俞曉峰博士：
該研究應(yīng)用條件性敲除小鼠模型研究結(jié)果證明，Phgdh基因具有促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展的作用，請(qǐng)問(wèn)余老師，在臨床相關(guān)腫瘤患者人群中，Phgdh基因表達(dá)特征與某些腫瘤的發(fā)生、轉(zhuǎn)移及預(yù)后之間也有明顯相關(guān)性嗎？

余秋景教授：
據(jù)一些研究報(bào)道，高達(dá)16%的癌癥、40%的黑色素瘤、70%的雌激素受體陰性和三陰性乳腺癌（triple-negative breast cancers, TNBCs，雌激素受體（ER）、孕激素受體（PR）和原癌基因Her-2均為陰性的乳腺癌）以及一些胰腺癌患者樣本中的PHGDH蛋白水平升高，其催化活性對(duì)癌細(xì)胞增殖非常重要。近期一篇發(fā)表在《Nature》雜志上題為“PHGDH heterogeneity potentiates cancer cell dissemination and metastasis”的文章，揭示了PHGDH的異質(zhì)性在浸潤(rùn)性人乳腺導(dǎo)管癌進(jìn)展中的作用。

作者發(fā)現(xiàn)與同質(zhì)性表達(dá)PHGDH的腫瘤相比，異質(zhì)性/低PHGDH表達(dá)腫瘤患者的中位無(wú)病生存期和無(wú)轉(zhuǎn)移生存期分別降低了約2.9和3.2倍，說(shuō)明異質(zhì)性/低PHGDH表達(dá)可以指示三陰性乳腺癌的腫瘤轉(zhuǎn)移。同時(shí)與原發(fā)性腫瘤相比，淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移灶中的PHGDH蛋白表達(dá)較低。利用三種TNBC PDX小鼠模型，發(fā)現(xiàn)與原發(fā)性腫瘤相比，循環(huán)腫瘤細(xì)胞PHGDH蛋白表達(dá)較低；和晚期轉(zhuǎn)移灶相比，早期轉(zhuǎn)移灶的PHGDH蛋白表達(dá)較低。后續(xù)機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，雖然PHGDH高表達(dá)時(shí)可發(fā)揮催化功能，提高腫瘤細(xì)胞增殖能力；但低表達(dá)時(shí)，PHGDH則通過(guò)其非酶促功能激活了hexosamine-sialic acid通路，造成蛋白質(zhì)糖基化異常（如integrin αvβ3唾液酸化增加），繼而增強(qiáng)腫瘤轉(zhuǎn)移和侵襲能力。這項(xiàng)研究從代謝異質(zhì)性的角度對(duì)腫瘤轉(zhuǎn)移和侵襲提出了重要見(jiàn)解，并揭示了PHGDH“異質(zhì)性表達(dá)影響腫瘤增殖、播散與轉(zhuǎn)移的機(jī)制”，此外，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)代謝酶的新功能參與了腫瘤惡性轉(zhuǎn)化的多個(gè)步驟。這為我們了解PHGDH的生物學(xué)效應(yīng)開(kāi)拓了一個(gè)新的領(lǐng)域。

俞曉峰博士：
通過(guò)對(duì)PHGDH基因及絲氨酸代謝作用機(jī)制深入研究，在今后如何與臨床密切結(jié)合，將相關(guān)研究成果轉(zhuǎn)化臨床應(yīng)用，發(fā)揮其未來(lái)市場(chǎng)價(jià)值等方面，余老師有什么計(jì)劃或設(shè)想可以分享嗎？

余秋景教授：
考慮到限制絲氨酸和甘氨酸飲食可以減少小鼠模型腫瘤體積和抗病毒天然免疫的能力，可以嘗試開(kāi)發(fā)針對(duì)腫瘤和病毒感染患者食用去除絲氨酸和甘氨酸的營(yíng)養(yǎng)液（這兩種氨基酸很容易互相轉(zhuǎn)化）輔助患者進(jìn)行抗腫瘤和抗病毒治療，其缺少的氮源由其他氨基酸進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)然探索出可能與現(xiàn)有腫瘤治療干預(yù)措施（如化學(xué)療法、靶向抑制劑和免疫檢查點(diǎn)阻斷方法）協(xié)同作用的飲食組合也是十分有意義的。

當(dāng)然除了限制飲食之外，藥物處理也能夠起到類(lèi)似的效果�？梢匝邪l(fā)針對(duì)PHGDH的抑制劑，事實(shí)上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多種特定腫瘤細(xì)胞PHGDH酶的抑制劑，然而，到目前為止，還沒(méi)有PHGDH抑制劑進(jìn)入臨床試驗(yàn)。對(duì)于抗病毒治療，PHGDH抑制劑也是可能的一種治療策略。對(duì)于抗腫瘤治療，盡管PHGDH作為抗癌藥物開(kāi)發(fā)的潛在靶標(biāo)已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注，但需要考慮的是這些藥物對(duì)腫瘤微環(huán)境的影響尚不清楚。

腫瘤微環(huán)境是十分復(fù)雜的，并且隨著腫瘤細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞、免疫細(xì)胞等細(xì)胞組成改變而變化。與腫瘤相關(guān)的代謝變化不僅維持腫瘤細(xì)胞本身的異常增殖，更迫使腫瘤微環(huán)境內(nèi)的免疫細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞、甚至整個(gè)機(jī)體的代謝平衡都發(fā)生重塑，共同促進(jìn)了癌細(xì)胞的增殖和擴(kuò)散，以及降低了免疫系統(tǒng)的抵抗能力，并直接升高癌癥相關(guān)的致死率。然而腫瘤微環(huán)境代謝相互作用關(guān)系仍知之甚少，這些知識(shí)還需要我們不斷積累和探索。

所以未來(lái)靶向代謝治療需要在腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞中找到協(xié)同的靶點(diǎn)，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。盡管，當(dāng)靶向特定的代謝酶時(shí)，代謝可塑性仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。但無(wú)論未來(lái)如何，靶向腫瘤治療既能使腫瘤細(xì)胞失能，又能協(xié)同增強(qiáng)抗腫瘤免疫是我們共同努力的目標(biāo)。
 

「專(zhuān)家簡(jiǎn)介」

余秋景教授
天津醫(yī)科大學(xué)免疫學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師
 

2018年引進(jìn)入天津醫(yī)科大學(xué)。主要研究免疫與代謝的相互調(diào)控機(jī)制及病理意義，特別是圍繞單核巨噬細(xì)胞的代謝調(diào)控在感染炎癥中的作用發(fā)表了一系列開(kāi)創(chuàng)性研究成果，研究成果在Cell Metab.、Nat Commun.、Nat Cell Biol.、Proc Natl Acad Sci U S A.、Cell Rep.等國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文22篇（其中第一及通訊作者8篇），累積影響因子達(dá)287+分，平均影響因子13.0（第一及通訊文章平均12.5），谷歌學(xué)術(shù)查引1019余次（SCI被引748余次）。單篇最高引用198余次（SCI被引138余次）。多篇文章被著名雜志專(zhuān)文介紹，受到國(guó)內(nèi)外領(lǐng)域內(nèi)專(zhuān)家的肯定或引用，先后入選“中國(guó)生物物理學(xué)會(huì)代謝生物學(xué)分會(huì)青年理事”和“天津市細(xì)胞生物學(xué)學(xué)會(huì)第二屆理事會(huì)理事”。獲天津市“131”創(chuàng)新型人才和天津市高校“中青年骨干創(chuàng)新人才”等榮譽(yù)。
 

俞曉峰博士
賽業(yè)生物中國(guó)區(qū)副總裁兼首席科學(xué)家
 

軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院博士，國(guó)際知名模式動(dòng)物和細(xì)胞生物學(xué)專(zhuān)家，耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院和紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究員，美國(guó)基因打靶公司（iTL）和應(yīng)用干細(xì)胞公司（ASC）資深科學(xué)家。在基因修飾模式動(dòng)物領(lǐng)域有超過(guò)20多年研發(fā)與管理等方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，在干細(xì)胞相關(guān)領(lǐng)域及哺乳動(dòng)物細(xì)胞系基因改造研究也取得了巨大成就，其研究成果多次發(fā)表在Nat Immunol、Hum Mol Genet、Mol Cell Biol等高水平雜志上。