磷酸甘油脫氫酶及絲氨酸代謝調(diào)控巨噬細胞極化和在抗腫瘤免疫作用

天津醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院免疫系、天津市免疫學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PHGDH基因未知功能的創(chuàng)新探索研究方面，對余秋景教授進行了特邀專訪。
 

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

余秋景教授：
巨噬細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)免疫細胞可殺滅病原、促進組織修復和阻止腫瘤生長；并且利用刺激物和炎性因子激活免疫系統(tǒng)，進而發(fā)揮抑癌的作用。其中巨噬細胞可由IFNγ、TNF-α和IL-1等多種細胞因子和/或細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巨噬細胞,表達誘導型一氧化氮合酶與IL-6、IL-1β和TNF-α等促炎細胞因子，表現(xiàn)出殺菌、促炎和抗腫瘤功能。

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

巨噬細胞的激活與細胞代謝的變化密切相關(guān)。在巨噬細胞激活過程中，各種代謝通路被重新編程以適應細胞功能的變化，從而促進專門的免疫表型。某些最早發(fā)生的氨基酸的代謝改變是定義巨噬細胞類型最重要的特征，如L-精氨酸在M1巨噬細胞中被iNOS轉(zhuǎn)化為NO，在M2巨噬細胞中被ARG1代謝。此外，谷氨酰胺已被證明可以通過產(chǎn)生α-酮戊二酸而協(xié)調(diào)巨噬細胞極化。然而，其他氨基酸的新陳代謝是否對在微調(diào)巨噬細胞中極化有作用，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）的活性或通過限制外源性絲氨酸和甘氨酸的攝取來抑制絲氨酸代謝，在體外和體內(nèi)都能增強IFNγ激活的巨噬細胞M（IFN-γ）的極化，并抑制IL-4激活的巨噬細胞M（IL-4）的極化。機制實驗表明，絲氨酸代謝不足可通過減少啟動子上依賴S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的組蛋白H3賴氨酸27三甲基化（H3K27me3）豐度來增加IGF1的表達。然后IGF1激活p38依賴的JAK-STAT1軸，促進M（IFN-γ）極化，抑制STAT6介導的M（IL-4）激活。該研究揭示了絲氨酸代謝調(diào)節(jié)巨噬細胞極化的新機制，并提示絲氨酸代謝的調(diào)控可作為巨噬細胞介導的免疫疾病的治療策略。

俞曉峰博士：
余老師通過體內(nèi)外研究結(jié)果表明，磷酸甘油脫氫酶（PHGDH）基因表達有助于M2巨噬細胞的極化作用，抑制M1巨噬細胞極化作用。一般情況下，M1巨噬細胞具有促炎抗腫瘤作用，而M2巨噬細胞則具有抗炎促腫瘤作用。根據(jù)PHGDH基因在調(diào)控巨噬細胞極化方面所發(fā)揮的影響作用，還請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，就要從絲氨酸開始說起。絲氨酸是一種非必需氨基酸，可以參與細胞增殖。絲氨酸既可以從頭合成，也可以從微環(huán)境中攝入。在從頭合成過程中，糖酵解衍生的3-磷酸甘油酸（3-PG）最終可以通過一系列的酶促反應轉(zhuǎn)化為絲氨酸，其中第一個關(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。絲氨酸促進一個相互連接的代謝途徑網(wǎng)絡一碳代謝，通過一碳單位的轉(zhuǎn)移促進核苷酸、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細胞增殖的核苷酸合成，還可通過GSH合成或SAM介導的組蛋白甲基化促進脂多糖（LPS）誘導巨噬細胞產(chǎn)生IL-1β。

文獻表明PHGDH具有多種酶活性及催化功能，當然除催化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)生的一種腫瘤細胞代謝產(chǎn)物，D-2HG可以對腫瘤細胞本身產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，也可以使細胞向癌變方向轉(zhuǎn)化，這也部分解釋了PHGDH高表達時其致癌功能。PHGDH還可催化（S）-蘋果酸氧化為草酰乙酸酯。研究發(fā)現(xiàn)PHGDH可通過上調(diào)目標促癌基因，以非代謝方式促進某些腫瘤的生長。此外，PHGDH還可增強腫瘤細胞對氧化應激的抵抗力，這反過來可能與腫瘤細胞增強的轉(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制的研究中，我們注意到余老師應用Phgdh fl/fl x Lyz2-Cre小鼠實現(xiàn)在髓系單核巨噬細胞細胞中特異性敲除小鼠Phgdh基因，驗證了該基因?qū)�巨噬細胞極化及絲氨酸代謝介導作用至關(guān)重要，余老師也通過體外在相關(guān)細胞系中過表達PHGDH的方式證實其相關(guān)作用，余老師有沒有考慮過在小鼠體內(nèi)過表達PHGDH基因，從另外一個方面驗證PHGDH基因的功能？

余秋景教授：
目前已知的文獻，據(jù)我所知，動物模型大多數(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)過表達PHGDH是否能驗證PHGDH基因的功能，是一個值得考慮的問題。如果從PHGDH在絲氨酸從頭合成中重要的酶促作用出發(fā)，PHGDH過表達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血腦屏障，大腦中的絲氨酸濃度較低，腦細胞較依賴絲氨酸的從頭合成。

以往臨床和小鼠實驗的科研成果顯示PHGDH的神經(jīng)系統(tǒng)突變或者表達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照組大腦相比，阿爾茨海默病患者的四個人類隊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在小鼠中的腦中過表達對某些大腦發(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：
應用髓系單核巨噬細胞特異性Phgdh敲除小鼠抗腫瘤形成實驗證實，該基因敲除具有抑制腫瘤細胞系（比如LLC小鼠肺癌細胞）在小鼠體內(nèi)生長的作用，記得余老師以前也有應用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)作用機制，能否也請余老師在此也與我們簡單分享一下？

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的影響是一個有待研究的有趣問題。前期研究發(fā)現(xiàn)膽固醇和葡萄糖代謝網(wǎng)絡可以共同調(diào)控抗病毒先天免疫的激活，但其他宿主代謝活動（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。

帶著這個問題出發(fā)，我們研究團隊首先檢測了病毒感染后巨噬細胞中絲氨酸、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PHGDH的催化經(jīng)一系列酶促反應產(chǎn)生。所以我們這個課題主要從絲氨酸代謝對宿主抗病毒先天免疫的影響這一角度展開。我們進一步研究發(fā)現(xiàn)通過基因水平敲低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IFN-β介導的體內(nèi)外抗病毒先天免疫。

機制實驗表明，病毒感染或絲氨酸代謝缺陷通過抑制S-腺苷蛋氨酸依賴的H3K27me3在ATP6V0d2啟動子的富集，進而增加V-ATPase亞單位ATP6V0d2的表達。ATP6V0d2促進了YAP溶酶體的降解，解除了YAP對TBK1-IRF3軸的阻斷，從而促進了IFN-β的產(chǎn)生。我們這項研究揭示了代謝酶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.同期專題評述對這一研究給予了高度評價，評述研究中“新的代謝-表觀-免疫調(diào)節(jié)機制擴展了我們對感染誘導的代謝重編程如何塑造表觀基因組和基因調(diào)控以對抗病毒的了解”。

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

余秋景教授：
據(jù)一些研究報道，高達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，其催化活性對癌細胞增殖非常重要。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)性在浸潤性人乳腺導管癌進展中的作用。

作者發(fā)現(xiàn)與同質(zhì)性表達PHGDH的腫瘤相比，異質(zhì)性/低PHGDH表達腫瘤患者的中位無病生存期和無轉(zhuǎn)移生存期分別降低了約2.9和3.2倍，說明異質(zhì)性/低PHGDH表達可以指示三陰性乳腺癌的腫瘤轉(zhuǎn)移。同時與原發(fā)性腫瘤相比，淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移灶中的PHGDH蛋白表達較低。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)腫瘤細胞PHGDH蛋白表達較低；和晚期轉(zhuǎn)移灶相比，早期轉(zhuǎn)移灶的PHGDH蛋白表達較低。后續(xù)機制研究發(fā)現(xiàn)，雖然PHGDH高表達時可發(fā)揮催化功能，提高腫瘤細胞增殖能力；但低表達時，PHGDH則通過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），繼而增強腫瘤轉(zhuǎn)移和侵襲能力。這項研究從代謝異質(zhì)性的角度對腫瘤轉(zhuǎn)移和侵襲提出了重要見解，并揭示了PHGDH“異質(zhì)性表達影響腫瘤增殖、播散與轉(zhuǎn)移的機制”，此外，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)代謝酶的新功能參與了腫瘤惡性轉(zhuǎn)化的多個步驟。這為我們了解PHGDH的生物學效應開拓了一個新的領域。

俞曉峰博士：
通過對PHGDH基因及絲氨酸代謝作用機制深入研究，在今后如何與臨床密切結(jié)合，將相關(guān)研究成果轉(zhuǎn)化臨床應用，發(fā)揮其未來市場價值等方面，余老師有什么計劃或設想可以分享嗎？

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，可以嘗試開發(fā)針對腫瘤和病毒感染患者食用去除絲氨酸和甘氨酸的營養(yǎng)液（這兩種氨基酸很容易互相轉(zhuǎn)化）輔助患者進行抗腫瘤和抗病毒治療，其缺少的氮源由其他氨基酸進行補充。當然探索出可能與現(xiàn)有腫瘤治療干預措施（如化學療法、靶向抑制劑和免疫檢查點阻斷方法）協(xié)同作用的飲食組合也是十分有意義的。

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

腫瘤微環(huán)境是十分復雜的，并且隨著腫瘤細胞、基質(zhì)細胞、免疫細胞等細胞組成改變而變化。與腫瘤相關(guān)的代謝變化不僅維持腫瘤細胞本身的異常增殖，更迫使腫瘤微環(huán)境內(nèi)的免疫細胞、基質(zhì)細胞、甚至整個機體的代謝平衡都發(fā)生重塑，共同促進了癌細胞的增殖和擴散，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，這些知識還需要我們不斷積累和探索。

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

「專家簡介」

余秋景教授
天津醫(yī)科大學免疫學系教授，博士生導師
 

2018年引進入天津醫(yī)科大學。主要研究免疫與代謝的相互調(diào)控機制及病理意義，特別是圍繞單核巨噬細胞的代謝調(diào)控在感染炎癥中的作用發(fā)表了一系列開創(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.等國際知名學術(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287+分，平均影響因子13.0（第一及通訊文章平均12.5），谷歌學術(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文介紹，受到國內(nèi)外領域內(nèi)專家的肯定或引用，先后入選“中國生物物理學會代謝生物學分會青年理事”和“天津市細胞生物學學會第二屆理事會理事”。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。
 

俞曉峰博士
賽業(yè)生物中國區(qū)副總裁兼首席科學家
 

軍事醫(yī)學科學院博士，國際知名模式動物和細胞生物學專家，耶魯大學醫(yī)學院和紐約大學醫(yī)學院研究員，美國基因打靶公司（iTL）和應用干細胞公司（ASC）資深科學家。在基因修飾模式動物領域有超過20多年研發(fā)與管理等方面的豐富經(jīng)驗，在干細胞相關(guān)領域及哺乳動物細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。