代謝重組對巨噬細胞活化的調節有重要作用。盡管已經有大量研究對免疫代謝機制進行探討，也取得了可喜的進展。但是炎癥表型的代謝基礎，特別是脂多糖誘導的氨基酸和核苷酸在這些不易增殖的促炎巨噬細胞中合成的生理目的仍然是個謎。
近期，《Molecular Cell》發表浙江大學基礎醫學院王迪團隊關于巨噬細胞的免疫代謝機制的新成果，闡明了脂多糖（LPS，lipopolysaccharide）刺激磷酸戊糖途徑(PPP)、絲氨酸合成途徑(SSP)和一碳代謝通路，這些通路協同作用通過重塑表觀調控促進炎癥因子如IL-1β的轉錄表達。中科新生命為該研究的代謝組學部分提供技術服務。
One-Carbon Metabolism Supports SAdenosylmethionine and Histone Methylation to Drive Inflammatory Macrophages
《Molecular Cell》
IF=14.548
研究背景
免疫細胞根據其執行不同的免疫功能或者免疫反應的不同階段構建和偏好不同的代謝物質生化基礎，從而幫助其更好地發揮免疫應答并維持免疫穩態的平衡。炎癥性巨噬細胞（Inflammatory Macrophages）的活化在炎癥性疾病中發揮重要作用，研究不同類型的代謝物質生化基礎、代謝途徑偏好、以及營養物質供給，以及在巨噬細胞活化中的調控功能，將為全面了解巨噬細胞炎癥反應提供重要的理論基礎。
實驗材料
LPS誘導的巨噬細胞和未誘導的細胞
技術路線
實驗結果
1. 代謝組學分析全局差異
為了研究代謝物促進炎性巨噬細胞的早期和全局效應，作者采用LC-MS/MS對LPS刺激6h的腹腔巨噬細胞進行了非靶向代謝組學分析，一共鑒定到187個代謝物，53個代謝物顯著上調和53個顯著下調（P<0.05）。
結果表明，LPS刺激的巨噬細胞中，除了已知的有氧糖酵解代謝產物、琥珀酸和衣康酸（三羧酸循環代謝產物）迅速累積外，糖酵解支路磷酸戊糖途徑(PPP)和絲氨酸合成途徑（SSP）和一碳代謝增強。
RNA-seq和qPCR也表明，在LPS刺激下，PPP、SSP、絲氨酸轉運、線粒體葉酸循環和一碳代謝通路中的許多關鍵酶也都上調表達。
以上數據表明，糖酵解支路PPP和SSP以及一碳代謝通路在LPS刺激下被激活。
2. 代謝流向及功能分析
研究人員利用代謝流技術系統分析葡萄糖、絲氨酸等來源的碳原子的代謝流向以及它們的協同功能。結果發現，LPS促進葡萄糖來源的碳原子分別通過PPP途徑產生核糖，SSP途徑生成絲氨酸、甘氨酸、一碳單位，進而促進ATP的從頭合成（ATP de novo synthesis）。研究人員進一步發現，這種通過葉酸循環來源的一碳單位并不能直接摻入到一碳代謝重要組成部分蛋氨酸循環中，而是需要外源蛋氨酸和ATP提供的嘌呤環協同生成細胞內最重要的甲基供體，S-腺苷甲硫氨酸SAM。在促炎巨噬細胞中，葡萄糖和外源絲氨酸通過從頭合成的ATP協同支持蛋氨酸循環和SAM生成。
3. 抑制劑處理與基因干預
作者通過多項抑制劑實驗和基因干預的方式，發現SAM和THF介導的一碳通量促進LPS誘導的IL-1β產生，但不能刺激腫瘤壞死因子-α（TNF-α）。這說明證實上述代謝通路對于體外和體內IL-1β等炎癥因子的表達非常重要，但是對于TNF-α的轉錄表達沒有影響。
此外，除了支持從頭嘌呤的合成外，PPP主要通過維持氧化還原平衡促進脂多糖誘導的炎癥，PPP和SSP通過維持氧化還原平衡和有效的單碳通量來驅動巨噬細胞。
4. 特定氨基酸饑餓培養實驗
特定氨基酸饑餓培養實驗顯示，絲氨酸或蛋氨酸在培養基中的單獨缺失均會導致脂多糖誘導的IL-1β mRNA的抑制，并且兩者聯合缺失具有附加效應，而甘氨酸缺失的效果有限。這說明外源蛋氨酸和絲氨酸對于炎癥性巨噬細胞的活化非常重要，但是甘氨酸貢獻很小。由此可知，外源性蛋氨酸和絲氨酸共同支持脂多糖誘導的炎癥，促進SAM的生成。
5. SAM生成及其驅動的甲基化反應在炎癥過程中協同調節組蛋白甲基化修飾
由于SAM是細胞內最為重要的甲基供體，研究人員發現LPS刺激會促進H3K36me3的累積，而對其他類型的組蛋白甲基化修飾影響較小。更重要的是干擾上述代謝網絡或通過蛋氨酸、絲氨酸饑餓培養的話，H3K36me3的表達受到顯著抑制，說明H3K36me3在巨噬細胞活化過程中對SAM的依賴性最為明顯。
6. ChIP-qPCR驗證
實驗結果證實，SAM合成在H3K36me3在炎癥因子基因如Il1b等gene body區域的富集中扮演著十分重要的角色，并促進一系列炎癥因子的表達。這說明，脂多糖通過激活SAM-Feeding通路，從而增強H3K36me3的染色質占有率。
小結
該研究利用轉錄組、非靶代謝組以及代謝流等技術，系統地揭示了在LPS刺激條件下，葡萄糖、氨基酸、核苷酸等如何協同(synergistically) 支持免疫代謝物S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的產生，進而通過重塑表觀調控促進炎癥因子如IL-1β的轉錄表達。