龍全梅 張?zhí)扃?王建發(fā) 武 瑞 連 帥黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動物科技學(xué)院黑龍江省牛病防制重點實驗室大慶163319

天然免疫應(yīng)答是機體最早也是發(fā)生最快的免疫應(yīng)答,在機體抗感染中具有重要作用?？乖┰狡つw、黏膜等第一道防線進(jìn)入組織后,首先激活天然免疫細(xì)胞,啟動非特異免疫反應(yīng),之后引發(fā)由淋巴細(xì)胞介導(dǎo)的特異性免疫應(yīng)答。能量代謝可塑性對免疫細(xì)胞功能起重要作用,免疫細(xì)胞依賴氧化磷酸化代謝和糖酵解代謝以及磷酸戊糖途徑代謝等代謝平衡維持生理狀態(tài)下細(xì)胞免疫穩(wěn)態(tài)。癌癥、肥胖、高血脂、細(xì)菌感染等代謝性疾病中,細(xì)菌細(xì)胞壁降解,其主要成分LPS大量進(jìn)入血液循環(huán),激活免疫細(xì)胞,刺激機體啟動免疫反應(yīng)[1]。血液循環(huán)中LPS濃度過高時,則誘導(dǎo)過度的免疫效應(yīng)導(dǎo)致機體損傷[2-3]。LPS可引發(fā)天然免疫細(xì)胞代謝重編程從而激活細(xì)胞,免疫細(xì)胞氧化磷酸化水平降低而選擇糖酵解、磷酸戊糖途徑及脂肪酸代謝。糖酵解途徑僅能產(chǎn)生2分子ATP,而氧化磷酸化可產(chǎn)生至少32分子ATP,LPS刺激下免疫細(xì)胞選擇利用低產(chǎn)能的糖酵解途徑[4]。LPS刺激下天然免疫細(xì)胞選擇不同的能量代謝途徑從而發(fā)揮不同的免疫作用,能量代謝途徑的可塑性與免疫功能的可塑性密切相關(guān)。本文對LPS刺激下天然免疫細(xì)胞和能量代謝之間的關(guān)系進(jìn)行梳理,選擇更合理的免疫代謝調(diào)控方案以維持人和動物的天然免疫穩(wěn)態(tài)。

1 LPS抑制天然免疫細(xì)胞氧化磷酸化過程

LPS可識別天然免疫細(xì)胞表面Toll樣受體4(TLR4),通過TLR4信號通路抑制呼吸酶活性,損傷細(xì)胞呼吸鏈,導(dǎo)致催化三羧酸(tricarboxylic acid,TCA)循環(huán)的酶活性降低[5-6]。TCA循環(huán)與呼吸鏈偶聯(lián),影響NADH、FADH2生成,無法通過呼吸鏈將電子傳遞給氧原子,線粒體膜兩側(cè)質(zhì)子梯度被破壞,從而抑制氧化磷酸化合成ATP。由于氧化磷酸化代謝為底物水平磷酸化和呼吸鏈電子傳遞鏈偶聯(lián)生成ATP的過程,是機體供能的主要方式,因此TCA循環(huán)物蓄積及呼吸鏈抑制均可影響免疫細(xì)胞功能[7]。

體外培養(yǎng)單核細(xì)胞經(jīng)LPS刺激,TCA循環(huán)中異檸檬酸裂解酶和琥珀酸脫氫酶活性降低,檸檬酸鹽和琥珀酸鹽蓄積,蓄積的檸檬酸鹽在免疫應(yīng)答基因1(IRG1)作用下衍生為代謝產(chǎn)物衣康酸,起直接殺菌作用[8]。琥珀酸鹽則通過抑制脯氨酰羥化酶(proline hydroxylose,PHO)誘導(dǎo)缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-in ducible faction-1α,HIF-1α)及核因子-κB(NF-κB)產(chǎn)生IL-1β和TNF-α引發(fā)炎癥反應(yīng)[9-10]。HIF-1α是糖酵解途徑的關(guān)鍵激酶,氧正常條件下由PHO催化降解,PHO活性降低則減少HIF-1α降解[3]。LPS刺激下,單核細(xì)胞耗氧率下降,電子傳遞、H+傳遞受阻,氧利用率下降。電子傳遞鏈中的NADH-Q還原酶復(fù)合體Ⅰ、琥珀酸-Q還原酶復(fù)合體Ⅱ及細(xì)胞色素還原酶復(fù)合體、細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合體等酶活性降低,細(xì)胞氧化磷酸化途徑受到抑制。糖酵解生成的丙酮酸無法進(jìn)入TCA循環(huán)徹底氧化生成ATP,由于細(xì)胞對能量的需求導(dǎo)致糖酵解代謝代償性增強。低濃度LPS并不會導(dǎo)致氧化磷酸化減少[7,11-12]。

LPS刺激樹突狀細(xì)胞(DC)后,其代謝狀態(tài)發(fā)生改變。DC中丙酮酸無法徹底氧化,而是生成乳酸分泌到體外或進(jìn)入脂肪酸的β氧化途徑或?qū)е聶幟仕猁}蓄積,檸檬酸鹽經(jīng)穿梭作用從線粒體運出,進(jìn)入胞液用于脂肪酸合成。脂肪酸可用于DC中高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成和蛋白分泌,對DC的抗原呈遞起重要作用[13]。BUCK等[14]研究表明LPS刺激T細(xì)胞代謝重塑過程可能導(dǎo)致線粒體大小改變,線粒體嵴緊縮有利于氧化磷酸化和脂肪酸氧化,而線粒體嵴松動,線粒體形態(tài)膨脹,影響電子傳遞鏈的傳輸效率,影響TCA循環(huán)并導(dǎo)致ATP產(chǎn)生減少(圖1)。

2 LPS促進(jìn)天然免疫細(xì)胞糖酵解

天然免疫細(xì)胞激活需要大量的生物能量及合成細(xì)胞分泌物所需的底物,能量和底物對于天然免疫細(xì)胞合成免疫相關(guān)分子、發(fā)揮免疫作用不可或缺。LPS刺激下氧化磷酸化途徑受到抑制,代償性糖酵解途徑可快速產(chǎn)生ATP和免疫細(xì)胞激活所需底物。因此,免疫細(xì)胞通過迅速增強糖酵解代謝,部分補償氧化磷酸化抑制所缺失的能量和底物[7-9]。

體外培養(yǎng)單核細(xì)胞經(jīng)LPS刺激后可激活PI3KAkt-mTORC2信號通路,細(xì)胞膜上的磷脂酰肌醇激酶(PI3K)募集蛋白激酶B(Akt),促進(jìn)雷帕霉素靶蛋白復(fù)合體(mTORC2)磷酸化[15-16]。Akt在調(diào)控免疫細(xì)胞功能方面發(fā)揮重要作用,包括細(xì)胞代謝、生長、增殖、轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)合成等。Akt促進(jìn)誘導(dǎo)型一氧化氮(iNOs)生成,iNOs從精氨酸中快速產(chǎn)生一氧化氮(NO)促進(jìn)糖酵解途徑活化。缺氧依賴的mTOR磷酸化通過減少HIF-1α降解促進(jìn)糖酵解[17]。缺乏HIF-1α的細(xì)胞中LPS仍能誘導(dǎo)糖酵解的關(guān)鍵激酶磷酸果糖激酶-2,提示除HIF-1α外,其他分子也參與促進(jìn)糖酵解。LPS刺激下,DC以HIF非依賴的方式激活TANK結(jié)合激酶1(TBK1)或?qū)е翹F-κB激酶ε(IKKε)的抑制劑降解,而非通過PI3K/mTORC2信號通路直接激活A(yù)kt促進(jìn)糖酵解代謝發(fā)揮抗原呈遞功能。

LPS刺激巨噬細(xì)胞可降低丙酮酸激酶同工酶M2(PKM2)活性,低活性的PKM2可促進(jìn)乳酸生成,以二聚體形式與HIF-1α作用,促進(jìn)HIF-1α依賴基因表達(dá)進(jìn)而增強糖酵解代謝[18]。當(dāng)HIF被抑制時,高活性PKM2以四聚體形式誘導(dǎo)M1型巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化為M2型[9,19]。因此,代謝控制免疫細(xì)胞表型并進(jìn)一步影響其炎癥調(diào)節(jié)功能。甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)是糖酵解酶,與IFN-γmRNA結(jié)合并抑制其翻譯。LPS刺激下,IFN-γmRNA與GAPDH解離,進(jìn)入翻譯過程,GAPDH促進(jìn)糖酵解產(chǎn)生ATP,因此,GAPDH可控制免疫細(xì)胞IFN-γ產(chǎn)生,進(jìn)一步證明細(xì)胞代謝與炎癥作用密切相關(guān)[20-21]。

圖1 LPS刺激天然免疫細(xì)胞后的氧化磷酸化代謝機制圖Fig.1 Oxidative phosphorylation metabolic mechanism diagram after LPS stimulates natural immune cells

3 LPS調(diào)控天然免疫細(xì)胞脂肪酸代謝途徑

脂肪酸代謝對免疫應(yīng)激和免疫防御具有重要作用。由脂肪酸氧化所產(chǎn)生的ATP數(shù)量高于上述2種糖氧化途徑[22]。LPS刺激下,免疫細(xì)胞氧化磷酸化受抑制、糖酵解增強。但在某些疾病中,如化膿性腦膜炎、胸腔積液或腫瘤等,通常伴有葡萄糖濃度下降,葡萄糖供給量處于負(fù)平衡,導(dǎo)致免疫反應(yīng)無法充分進(jìn)行[23]。

細(xì)胞過度糖酵解,會導(dǎo)致底物耗盡而加快凋亡,LPS刺激下,低糖供應(yīng)使單核細(xì)胞代謝過程轉(zhuǎn)向脂肪酸氧化[23]。因此,細(xì)胞對脂肪酸代謝的依賴性增加,總AMP數(shù)增加,AMP/ATP值上升,激活腺苷酸活化的蛋白激酶(AMPK),啟動多種分解代謝途徑,如促進(jìn)葡萄糖和脂肪酸攝取、氧化、糖酵解和細(xì)胞自噬、抑制脂肪合成等[24-25]。AMPK能夠促進(jìn)AMP分解代謝,且在促進(jìn)糖酵解、脂肪酸氧化等ATP產(chǎn)生的代謝同時抑制ATP消耗,但AMPK持續(xù)激活導(dǎo)致細(xì)胞能量代謝過程紊亂發(fā)生自噬[26]。LPS刺激下氧化磷酸化抑制導(dǎo)致蓄積的檸檬酸進(jìn)入胞液,胞液中的檸檬酸裂解酶催化裂解為乙酰輔酶A和草酰乙酸。乙酰輔酶A進(jìn)入脂肪酸合成途徑,而草酰乙酸在蘋果酸脫氫酶作用下生成蘋果酸重新進(jìn)入線粒體,或在蘋果酸酶作用下生成丙酮酸,產(chǎn)生少量NADPH用于脂肪酸合成。LPS刺激下,糖酵解受限,免疫細(xì)胞選擇脂肪酸代謝維持免疫功能。但AMPK持續(xù)激活表明細(xì)胞轉(zhuǎn)向脂肪酸代謝是缺糖保護(hù)機制,但并不能完全彌補細(xì)胞能量代謝。

效應(yīng)T細(xì)胞在LPS刺激下通過促進(jìn)脂肪酸合成用于生長及炎癥因子分泌,而記憶性T細(xì)胞生長則由于脂肪酸氧化抑制而長期滯留于機體[27-28]。LPS刺激下,由于氧化磷酸化受限,效應(yīng)T細(xì)胞促進(jìn)糖酵解快速產(chǎn)生ATP發(fā)揮促炎作用。記憶T細(xì)胞由于其免疫效應(yīng)發(fā)生在效應(yīng)T細(xì)胞之后,故其在被LPS激活時不需要依靠高速率的糖酵解產(chǎn)生ATP,而是促進(jìn)脂肪酸代謝維持其長期促炎作用,與DC中的代謝選擇類似。由于DC為非增殖性細(xì)胞,LPS刺激下,由糖酵解快速產(chǎn)生ATP支持DC激活,而后期(9 h后)DC持續(xù)激活產(chǎn)生ATP和底物依賴于脂肪酸氧化和脂肪酸于合成[29]。LPS刺激下,M1型巨噬細(xì)胞氧化磷酸化受抑制,使其依賴于糖酵解快速發(fā)揮作用,而M2型巨噬細(xì)胞并不產(chǎn)生ROS,呼吸鏈完整,且磷酸戊糖途徑也受限,使M2型巨噬細(xì)胞能夠更好地發(fā)揮炎癥抑制作用,阻斷氧化磷酸化促使M2型向M1型轉(zhuǎn)化[30]。此外,過氧化物酶體增殖劑激活受體(PPARs)是核激素受體家族中的配體激活受體,LPS刺激下PPARs活性升高,正向調(diào)節(jié)脂肪酸轉(zhuǎn)運蛋白和肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1β表達(dá),促進(jìn)脂肪酸β氧化抑制脂質(zhì)合成[27]。

4 LPS調(diào)控天然免疫細(xì)胞磷酸戊糖代謝途徑

磷酸戊糖途徑是糖代謝的支路,LPS刺激下,磷酸戊糖代謝增強,生成的中間體可進(jìn)入TCA循環(huán)等生成能量,核糖-5-磷酸可合成核苷酸輔酶、核糖核苷酸及脫氧核苷酸用于細(xì)胞DNA及RNA合成。磷酸戊糖途徑的中間代謝產(chǎn)物還原型輔酶Ⅱ(NADPH)可作為氫供體參與脂肪酸、膽固醇和類固醇激素、核苷酸及脂類的生物合成,可作為谷胱甘肽還原酶輔酶[31]。

LPS刺激下M1型巨噬細(xì)胞依賴NADPH在呼吸爆發(fā)期間產(chǎn)生ROS發(fā)揮殺菌作用,促發(fā)磷酸戊糖途徑[11]。但同時磷酸戊糖途徑產(chǎn)生還原型谷胱甘肽(GSH)等抗氧化物與過氧化物及自由基結(jié)合防止組織過度損傷。碳水化合物激酶樣蛋白酶(SHK)是磷酸戊糖途徑的限制酶,LPS刺激下M2型巨噬細(xì)胞SHK增多,而M1型巨噬細(xì)胞SHK含量較低。M1型巨噬細(xì)胞增殖能力較弱,LPS刺激下磷酸戊糖代謝途徑的中間產(chǎn)物支持快速生成mRNA,以基因調(diào)控蛋白合成的途徑產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子[13]。此外,單核細(xì)胞的吞噬作用、DC的抗原呈遞作用都需要磷酸戊糖途徑生成的NADPH及其中間代謝產(chǎn)物?？梢?LPS刺激下磷酸戊糖途徑增強對維持免疫細(xì)胞功能具有重要作用(圖2)。

圖2 LPS刺激天然免疫細(xì)胞后的糖脂代謝機制圖Fig.2 Glucose and lipid metabolism mechanism diagram after LPSstimulates natural immune cell

5 LPS通過免疫與代謝相互調(diào)節(jié)影響疾病發(fā)生發(fā)展

LPS可刺激多種免疫細(xì)胞發(fā)生代謝重編程,免疫細(xì)胞的激活似乎必須經(jīng)過代謝重編程。代謝重編程下,脂肪酸代謝、糖酵解代謝、磷酸戊糖代謝可補償氧化磷酸化受抑制時的生物能量及物質(zhì)需求,且免疫細(xì)胞發(fā)揮免疫功能也受代謝重編程調(diào)控。單核/巨噬細(xì)胞在LPS刺激下,氧化磷酸化受抑制,免疫細(xì)胞通過代謝重編程增強糖酵解及脂肪酸代謝產(chǎn)生能量維持吞噬細(xì)胞吞噬作用,并通過激活多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路誘導(dǎo)產(chǎn)生IL-1β、IL-8等促炎細(xì)胞因子及TNF-α發(fā)揮促炎作用[32-33]。LPS引起的代謝綜合征是多種疾病的病理基礎(chǔ),代謝紊亂可導(dǎo)致機體免疫功能紊亂。多種代謝性疾病,如肥胖、Ⅱ型糖尿病、內(nèi)毒素血癥等外周血液循環(huán)中都可見LPS濃度升高[34-35]。因此,生物能量轉(zhuǎn)化使代謝與炎癥及免疫功能密切相關(guān)。慢性代謝性疾病導(dǎo)致機體患其他疾病的可能性更高,代謝與免疫反應(yīng)的聯(lián)系對機體健康至關(guān)重要。

6 小結(jié)

LPS可使天然免疫細(xì)胞發(fā)生代謝重編程,并通過代謝調(diào)控天然免疫細(xì)胞功能。深入理解代謝途徑,研究代謝途徑對細(xì)胞信號傳導(dǎo)和細(xì)胞增殖分化的調(diào)控,研究不同細(xì)胞群如何響應(yīng)代謝重編程,將為細(xì)菌感染、糖尿病、脂肪肝甚至癌癥等疾病防治提供新思路。