干擾素(IFN)-I的過量產生和長期激活會導致自身免疫性疾病，腫瘤壞死因子(TNF)、白細胞介素(IL)-1等促炎細胞因子的異常產生和功能也會引起多種自身免疫性疾病。了解免疫細胞如何控制IFN-I和促炎細胞因子的產生及效應反應，將加深我們對自身免疫和耐受機制的理解，并為自身免疫性疾病的細胞因子阻斷治療提供線索。
目前已有多種小分子代謝物如GABA、衣康酸、吲哚丙酸，在免疫調節機制中發揮著各種作用。精胺作為體內重要的多胺類化合物，已被證實具有抗腫瘤、抗病毒免疫反應等活性作用。繼CCR7 Chemokine Receptor-Inducible lnc-Dpf3 Restrains Dendritic Cell Migration by Inhibiting HIF-1α-Mediated Glycolysis（Immunity，2019IF=21.522，麥特繪譜提供非靶向代謝組學技術服務）研究之后，中國醫學科學院基礎醫學研究所曹雪濤院士團隊與麥特繪譜再次攜手在Immunity（2024IF=25.5）發表題為“Cellular spermine targets JAK signaling to restrain cytokine-mediated autoimmunity”的文章，揭示了精胺能夠抑制JAK介導的細胞因子免疫應答及炎癥反應，有效緩解自身免疫性疾病進程。該研究還篩選出精胺天然衍生物SD1，證明了其具有廣譜性免疫抑制和抗炎功能，表明精胺及其衍生物是細胞穩態的代謝檢查點和控制自身免疫性疾病的潛在免疫抑制分子。（麥特繪譜提供多胺定量檢測和非靶向代謝組學檢測服務）
研究思路
圖1. 技術路線
功能篩選確定抑制IFN-I反應的精胺
為了研究巨噬細胞在IFN-I刺激下的代謝產物變化，利用代謝組學技術分析IFN-β作用和水皰性口炎病毒(VSV)感染后的小鼠骨髓源性巨噬細胞(BMDMs)，發現分別有73種和43種代謝物產生了顯著變化，其中，有5種代謝物發生了共同的變化。進一步使用報告基因篩選以上代謝物，發現精胺對ISG啟動子活性抑制最為顯著，此外，利用13C-亞精胺和13C-精胺同位素示蹤技術也證實了精胺是巨噬細胞中IFN-I效應反應的有效抑制劑。
圖2. 精胺抑制巨噬細胞對IFN-I的反應
精胺抑制IFN-I、IFN-g、IL-2和IL-6誘導的JAK信號傳導
RNA-seq測序技術表明精胺預處理能降低IFN-β誘導的ISG mRNA水平，GO富集分析顯示細胞因子響應的的相關基因為主要富集基因。在人THP-1單核細胞中，精胺抑制了IFN-β信號傳導，類似結果在腹膜巨噬細胞（PMs）、小鼠肺上皮細胞（MLE-12）、小鼠胚胎成纖維細胞（MEF）和IFN-α刺激的HepG2細胞中也被觀察到。JAK-STAT途徑是多種細胞因子的關鍵下游信號傳導事件，精胺預處理能夠抑制細胞中IFN-g、IL-6和IL-2觸發的JAK-STAT通路的激活。
圖3. 精胺抑制多種細胞因子誘導的JAK信號通路
精胺結合JAK1的N端結構域，破壞JAK1-細胞因子受體的相互作用
結合前文精胺抑制細胞因子觸發的JAK通路激活，使用鄰位標記技術（PLA）發現精胺阻斷了JAK1和IFANR2在腹膜巨噬細胞中的相互作用，免疫共沉淀實驗也進一步顯示精胺處理降低了RAW264.7細胞中myc標記的JAK1與FLAG標記的IFNAR2的相互作用，并呈現劑量依賴式抑制。結合生物素標記的精胺Pull down實驗、分子對接和分子動力學分析，精胺直接與JAK1的N-末端FERM和SH2結構域結合，組斷了JAK1與細胞因子受體的結合。
圖4. 精胺通過與JAK1結合來抑制細胞因子信號傳導
精胺代謝途徑異常干擾JAK-STAT信號傳導和細胞因子反應
細胞內的多胺濃度由一組酶進行調節，鳥氨酸脫羧酶(ODC1) 和亞精胺/精胺N1-乙酰轉移酶1 (SAT1) 是多胺代謝的限速酶。IFN-β刺激導致巨噬細胞中ODC1表達下降，SAT1表達上升，高特異性氨丙基轉移酶（SMS）蛋白水平下降，巨噬細胞中精胺氧化酶（SMOX）mRNA增加。使用13C-亞精胺追蹤精胺代謝，在IFN-β刺激下，13C-精胺和未標記的精胺都減少，13C-乙酰亞精胺/13C-亞精胺和13C-乙酰精胺/13C-精胺比例增加，13C-精胺/13C-亞精胺比例降低，表明精胺分解被激活。通過精胺補充實驗發現精胺代謝途徑的改變顯著影響了JAK-STAT信號傳導和細胞因子反應，調控ODC1、SMS和SAT1等關鍵酶，可以改變細胞對IFN-β刺激的反應。
圖5. 精胺代謝途徑影響JAK-STAT信號傳導和細胞因子反應
精胺抑制SLE患者PBMCs中的IFN-I信號傳導
與健康人相比，系統性紅斑狼瘡（SLE）患者的外周血單核細胞（PBMCs）中SAT1和ODC1 mRNA水平增強，對其進行RNA-seq分析表明精胺濃度低的患者表現出增強的IFN-α和IL-4應答特征且較低的精胺濃度與T細胞和B細胞中的狼瘡特征表達呈現正相關。精胺處理SLE患者的PBMCs后，IFN-α和IL-6介導的基因表達特征下降，STAT1磷酸化減少。
圖6. 精胺在SLE患者外周血單核細胞（PBMCs）中對IFN-I信號傳導的抑制作用
精胺抑制體內IFN-I反應
為了進一步探討精胺在體內對IFN-I反應的抑制作用及其潛在的治療價值，使用野生型或Ifnar1缺陷型小鼠模型發現精胺預處理或Ifnar1缺失顯著降低了ISGs的表達，表現出較輕的皮膚損傷。Reactome通路分析表明體內施用精胺導致的通路重塑與Ifnar1缺失導致的通路重塑非常相似。以上結果表明在原始誘導的SLE小鼠模型中，體內給藥精胺可以抑制IFN-I反應，減輕自身炎癥損傷和疾病進展。
圖7. 精胺在體內對IFN-I反應的抑制作用及其潛在的治療價值
體內施用精胺及其衍生物SD1可減弱自身免疫發病機制
通過藥效團雜交和骨架跳躍策略篩選69種候選化合物，確定了精胺衍生物SD1。體內外實驗證明SD1具有廣泛的免疫抑制特性。此外，在咪喹莫特（IMQ）誘導的銀屑病樣小鼠模型中，SD1相較于精胺更能誘導皮膚病變緩解、減少免疫細胞浸潤并防止體重減輕。
圖8. 精胺衍生物SD1在自身免疫疾病中的治療潛力
總結
本研究通過對IFN-β激活的巨噬細胞進行代謝組學分析和IFN刺激反應元件報告基因篩選，確定精胺是JAK信號通路的抑制劑，在抑制細胞因子信號傳導和免疫調節中起關鍵作用。通過藥效團雜交和骨架躍遷策略篩選出具有廣泛免疫抑制功能的精胺衍生物SD1，揭示了精胺在銀屑病等多種炎性疾病中的作用，表明精胺及其衍生物在廣泛的炎性疾病中具有應用潛力。
參考文獻
Xu H, Zhang X, Wang X, et al. Cellular spermine targets JAK signaling to restrain cytokine-mediated autoimmunity. Immunity. Published online June 17, 2024. doi:10.1016/j.immuni.2024.05.025
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在本研究中，麥特繪譜通過代謝組學技術支持了精胺等多胺類物質含量的檢測，助力發現其抑制JAK介導的細胞因子免疫應答及炎癥反應，有效緩解自身免疫性疾病進程。麥特繪譜多胺類產品檢測服務涵蓋精胺、腐胺、亞精胺等多個關鍵物質成分，協助客戶深耕腫瘤研究、免疫調節、心血管健康、神經保護、抗癌、抗衰等多個研究領域。
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