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撰文 | 亦

代谢重编程决定着巨噬细胞的效应功能【1-3】，但相关机制还为被完全阐释。巨噬细胞的代谢改变是炎症反应的主要调节因素【4-6】，TLR4配体脂多糖（LPS）能够刺激巨噬细胞进行中心代谢途径重编程，促进细胞因子产生，但其背后的作用机制尚不清晰。

2023年3月8日，来自爱尔兰三一生物医学研究所（TBSI）的Alexander Hooftman，Dylan G. Ryan和Luke A. J. O’Neill合作，在Nature上发表了题为Macrophage fumarate hydratase restrains mtRNA-mediated interferon production的文章，利用代谢组学和同位素示踪，作者发现脂多糖刺激能诱发炎症性天门冬氨酸-精氨酸流动，使得细胞质的延胡索酸水平升高，三羧酸循环（TCA）酶延胡索酸水化酶（fumarate hydratase,FH）的敲除进一步提升了延胡索酸水平。RNA测序和蛋白组学分析显示，抑制FH会引发强烈的炎症反应，抑制白介素10的表达，增加β干扰素的表达。文章鉴定了FH在维持巨噬细胞细胞因子和干扰素应答稳态中的保护性作用。

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基于液相色谱-质谱，作者首先解析了炎症骨髓来源的巨噬细胞（BMDMs）的代谢组特征，发现在经历急性LPS刺激后，TCA循环代谢物延胡索酸盐呈现最显著的上调，其调节的蛋白琥珀酸酯化也呈现显著的上升。由于急性LPS刺激不能损伤呼吸，TCA循环的破坏还不足以引发延胡索酸盐积累，而延胡索酸是精氨基琥珀酸裂解的副产物，作者观察到精氨基琥珀酸的前体天冬氨酸盐减少，证明了天冬氨酸盐-精氨基琥珀酸流动。通过RT–qPCR，作者发现BMDMs中精氨琥珀酸合成酶Ass1增加，而FH表达减少，在LPS处理后，FH水平降低。当使用GOT2抑制剂抑制天冬氨酸盐-精氨基琥珀酸流动后，在经历LPS刺激时，天冬氨酸，精氨酸琥珀酸和延胡索酸水平都降低，Asl的敲低也阻止了延胡索酸盐的积累，说明这一过程对天冬氨酸盐-精氨基琥珀酸流动的依赖性，稳定同位素标记证实了这一点。

接下来，作者利用成熟的药理学FH抑制剂FHIN1和Cre小鼠模型分析了FH活性与巨噬细胞中延胡索酸盐积累的作用。之前的研究提示免疫代谢物可能会影响巨噬细胞功能，于是作者评估了FH抑制与巨噬细胞代谢之间的关系，发现FHIN1会影响基础呼吸和ATP的产生，造成TCA重构，增加延胡索酸盐的积累。相应地，巨噬细胞Fh1的敲除也会造成FHIN1类似的生物能量学改变，诱导大量的氧化还原应激响应。

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LPS处理4h后早期TCA循环重构过程中发生的代谢变化

那么FH是否调控巨噬细胞活化和效应应答呢？RNA-seq和蛋白组学分析显示，FHIN1处理的BMDMs显著上调肿瘤坏死因子（TNF）信号途径，对细胞因子的表达也有广泛的调控作用，ERK1/2级联和PI3K信号途径下调，IL10表达和c-Fos激活被抑制。进一步的分析发现，FH调控的IL-10-TNF在人类细胞中也很活跃，ASS1的增加会造成延胡索酸盐积累，调节IL-10和TNF的产生。另一方面，FH的抑制也会导致NRF2和ATF4应激反应的激活，使得炎症相关激素GDF15显著上调。至此，作者定义了两个之前研究未强调过的与FH抑制相关的信号轴，揭示了FH在调节IL-10，TNF和GDF15中的作用。

最后，作者针对于FH抑制后RNA-seq中观察到的Ifnb1（编码IFNβ）上调做了进一步探究，他们发现FHIN1增加了LPS刺激后的巨噬细胞中IFNβ的释放，且这一过程依赖于mtDNA。出乎意料的是，这一过程不需要任何其他的感知因子（如cGAS, RIG-I, MDA5），仅仅是mtDNA就能够实现FHIN1驱动的IFN响应，而MMP的紊乱可能与mtRNA释放和IFNβ诱导有关。类似地，遗传学的敲除也能带来与FHIN1处理类似的效应。在体内，FH抑制也能导致类似的IFN响应。

总的来说，文章描述了由延胡索酸水化酶抑制引发的线粒体膜超极化和mtRNA释放现象，并阐释了其涉及到的线粒体信号通路，强调线粒体应激可能是I型干扰素释放的机制，展示了此研究在慢性炎症如衰老中的应用潜力。

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05720-6

制版人：十一

参考文献

1. Mills, E. L. et al. Succinate dehydrogenase supports metabolic repurposing of mitochondria to drive inflammatory macrophages.Cell167, 457–470.e13 (2016).

2. Mills, E. L. et al. Itaconate is an anti-inflammatory metabolite that activates Nrf2 via alkylation of KEAP1.Nature556, 113–117 (2018).

3. Tannahill, G. M. et al. Succinate is an inflammatory signal that induces IL-1β through HIF-1α.Nature496, 238–242 (2013).

4. Lampropoulou, V. et al. Itaconate links inhibition of succinate dehydrogenase with macrophage metabolic remodeling and regulation of inflammation.Cell Metab.24, 158–166 (2016).

5. Jha, A. K. et al. Network integration of parallel metabolic and transcriptional data reveals metabolic modules that regulate macrophage polarization.Immunity42, 419–430 (2015).

6. Billingham, L. K. et al. Mitochondrial electron transport chain is necessary for NLRP3 inflammasome activation.Nat. Immunol.23, 692–704 (2022).

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