清華新聞網(wǎng)1月4日電 1月2日，清華大學(xué)藥學(xué)院陳立功研究員課題組與生命學(xué)院劉萬里教授課題組合作，報(bào)道了單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MCT1通過丙酮酸代謝調(diào)控B淋巴細(xì)胞（B細(xì)胞）免疫活化、免疫分化和IgG型抗體的產(chǎn)生；發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者的MCT1表達(dá)水平明顯上調(diào)，且其表達(dá)缺陷或特異性抑制可以有效緩解小鼠系統(tǒng)性紅斑狼瘡的癥狀，揭示MCT1可能成為治療自身免疫性疾病系統(tǒng)性紅斑狼瘡的潛在靶點(diǎn)。
生物體持續(xù)受到外界環(huán)境的刺激，為了應(yīng)對這些刺激而產(chǎn)生的免疫反應(yīng)需要消耗機(jī)體大量的能量。生發(fā)中心（Germinal Center，GC）是一個在周圍淋巴器官中形成的動態(tài)結(jié)構(gòu)，它為B細(xì)胞的高頻突變和抗體類別轉(zhuǎn)換提供了一個獨(dú)特的微環(huán)境。生發(fā)中心的正常形成對于高質(zhì)量IgG型抗體的產(chǎn)生至關(guān)重要。B細(xì)胞在受到免疫刺激激活后，會經(jīng)歷一個廣泛的代謝重塑過程。乳酸既是糖酵解的產(chǎn)物，又可以作為能源為細(xì)胞提供能量，而在大部分細(xì)胞中乳酸主要是通過MCT1進(jìn)行運(yùn)輸。研究人員以乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MCT1為主要研究對象，從代謝角度深入解析代謝在抗體產(chǎn)生過程中的作用和潛在機(jī)制，為疫苗研制和自身免疫疾病的治療提供新的方法和策略。
為了探索MCT1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在B細(xì)胞中的功能，研究人員通過CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建了B細(xì)胞中特異性敲除MCT1小鼠，系統(tǒng)性研究了MCT1在B細(xì)胞中的作用和潛在機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)在抗原免疫刺激條件下，MCT1缺失小鼠血清中的抗原特異性的IgG1抗體含量顯著下降。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，抗體產(chǎn)生受阻主要是由于生發(fā)中心B細(xì)胞抗體類別轉(zhuǎn)換（Class switch recombination, CSR）嚴(yán)重受損導(dǎo)致（圖1）。
圖1.MCT1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白缺失抑制B細(xì)胞CSR
為了研究乳酸和丙酮酸在MCT1缺陷B細(xì)胞中的去向，研究人員采用了葡萄糖同位素示蹤（U-13C6葡萄糖）來研究進(jìn)行CSR的B細(xì)胞中的葡萄糖代謝動態(tài)。示蹤實(shí)驗(yàn)表明，MCT1缺失的B細(xì)胞發(fā)生代謝重塑，糖酵解代謝下降，氧化磷酸化代謝顯著上調(diào)（圖2）。
圖2.MCT1缺失的B細(xì)胞發(fā)生代謝重塑
另一方面，通過RNA-seq分析發(fā)現(xiàn)，調(diào)控B細(xì)胞抗體類別轉(zhuǎn)換的重要蛋白，激活誘導(dǎo)胞嘧啶脫氨酶（Activation-induced cytidine deaminase, AID）的表達(dá)顯著下調(diào)，研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)脂溶性的甲基丙酮酸可以有效恢復(fù)MCT1缺失B細(xì)胞中AID的表達(dá)，上調(diào)表達(dá)IgG1-BCR B細(xì)胞的比例。通過ATAC-seq和13C3丙酮酸對組蛋白乙酰化位點(diǎn)標(biāo)記的定量蛋白組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，丙酮酸可以調(diào)控組蛋白H3K27乙酰化修飾。同時(shí)結(jié)合B細(xì)胞的Chip-seq分析發(fā)現(xiàn)，H3K27乙酰化修飾可以直接調(diào)控AID的表達(dá)。
研究人員探索了此發(fā)現(xiàn)的臨床意義。系統(tǒng)性紅斑狼瘡（SLE）是一種自身免疫性疾病，其特征是自身耐受性缺失，導(dǎo)致過度活化的B細(xì)胞異常擴(kuò)增。研究人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者的MCT1表達(dá)水平明顯上調(diào)，也在bm12誘導(dǎo)系統(tǒng)性紅斑狼瘡小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)敲除MCT1可以有效緩解SLE小鼠的癥狀，降低抗dsDNA抗體的產(chǎn)生以及IgG抗體在腎小球的聚集（圖3）。
圖3.MCT1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的缺失降低了SLE疾病模型中自身抗體的產(chǎn)生
研究人員發(fā)現(xiàn)MCT1缺失引起B(yǎng)細(xì)胞發(fā)生代謝重塑，消耗丙酮酸進(jìn)行氧化磷酸化代謝，導(dǎo)致組蛋白H3K27乙酰化修飾降低，進(jìn)而抑制AID蛋白的表達(dá)，最終造成B細(xì)胞抗體類別轉(zhuǎn)換受損，減少抗體的分泌（圖4）。研究中，甲基丙酮酸在體外實(shí)驗(yàn)中可以有效恢復(fù)MCT1缺失B細(xì)胞中的抗體類別轉(zhuǎn)換過程，這為未來增強(qiáng)疫苗效果提供了新的研究思路。更加令人感興趣的是，MCT1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白抑制劑也被證明可以緩解系統(tǒng)性紅斑狼瘡小鼠炎癥反應(yīng)的癥狀，因此MCT1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在B細(xì)胞中的功能研究也為系統(tǒng)性紅斑狼瘡治療提供了新的治療策略。
圖4.MCT1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白影響CSR的機(jī)制示意圖
相關(guān)研究成果于1月2日以“MCT1介導(dǎo)的丙酮酸代謝通過H3K27乙酰化調(diào)控抗體類別轉(zhuǎn)換”（MCT1-governed pyruvate metabolism is essential for antibody class-switch recombination through H3K27 acetylation）為題，在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊在線發(fā)表。
陳立功和劉萬里為論文的通訊作者，清華大學(xué)藥學(xué)院博士池文娜、生命學(xué)院博士后康娜、藥學(xué)院2021級博士生盛琳琳以及生命學(xué)院碩士劉思辰為論文的共同第一作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃、國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)春風(fēng)基金和賽德特生物制藥有限公司合作基金等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-44540-0
供稿：藥學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
