Akt-mTORC1信号调节Acly以整合代谢输入以控制巨噬细胞活化外文翻译资料

 2022-08-12 03:08

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Akt-mTORC1信号调节Acly以整合代谢输入以控制巨噬细胞活化

1美国波士顿哈佛大学公共卫生学院遗传与复杂疾病系;2美国费城宾夕法尼亚大学环境毒理学卓越中心;3美国费城德雷塞尔大学AJ Drexel自闭症研究所;4美国波士顿布莱根妇女医院医学系;5中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所，上海;6美国麦迪逊威斯康星大学麦迪逊分校医学系

摘要巨噬细胞激活/极化到不同的功能状态是代谢转变的关键支持。极化信号如何协调代谢和功能重编程，以及控制巨噬细胞活化的潜在影响仍然知之甚少。在这里，我们显示IL-4信号共同协调Akt-mTORC1途径调节Acly，Ac-CoA合成中的关键酶，导致组蛋白乙酰化和M2基因诱导增加。仅以这种方式控制M2基因的子集，包括调节细胞增殖和趋化因子产生的那些。此外，代谢信号撞击Akt-mTORC1轴以控制M2激活。我们建议Akt-mTORC1信号传导校正代谢状态以满足M2活化的能量需求方面，这可能定义代谢在支持巨噬细胞活化中的新作用。

介绍

巨噬细胞是多效细胞，其取决于停留组织和组织状态而具有多种功能。它们获得多种背景依赖性活动的能力需要激活（或极化）不同的功能状态，由各种因素引发，包括微生物产物，细胞因子和生长因子（Davies等，2013; Murray和Wynn，2011）。在感染期间，通过包括LPS的微生物产物触发M1或经典激活，导致编码抗微生物活性和炎性细胞因子的基因的转录上调。M2或替代激活由寄生虫感染期间产生的IL-4和IL-13触发，并激活转录因子Stat6以诱导协调纤维化，组织重塑和2型炎症的转录程序（Davies等，2013; Murray）和Wynn，2011）。因此，多组分转录程序的诱导支持巨噬细胞活化。

虽然在信号转导，转录调节和新效应子活性的获得水平上相对较好地理解巨噬细胞活化，但代谢基础仍然不太清楚。一种新兴观点是巨噬细胞对特定状态的激活与之相关。

消化巨噬细胞是在大多数身体组织中发现的免疫细胞。巨噬细胞的确切取决于它们所处的组织和组织的状态。例如，M2巨噬细胞可以增加数量，治愈伤口或帮助抵抗寄生虫，这取决于它们从环境中获得的信号。相反，当巨噬细胞感知病原体如细菌时，它们也会变成M1巨噬细胞，产生炎症分子，帮助杀死入侵的细菌。

当巨噬细胞转变为更加专业化的状态时，它的新陈代谢 - 细胞为了生存和繁荣而进行的一系列化学反应 - 也会发生变化。这种转变似乎在激活巨噬细胞和确定它们如何专业化方面起着重要作用。然而，关于新陈代谢如何发挥这种控制知之甚少。

可以通过研究细胞产生的分子或“代谢物”来部分研究细胞的代谢。Covarrubias等。研究当来自小鼠的非特化巨噬细胞被称为IL-4的信号分子激活时会发生什么。该信号分子使细胞成为M2巨噬细胞，实验表明IL-4信号传导控制细胞中称为乙酰辅酶A的代谢物的量。

乙酰辅酶A可以影响基因的DNA如何包装在细胞中，从而影响基因是否被打开和“表达”。Covarrubias等。因此，还分析了主要的代谢传感途径--Akt-mTORC1途径 - 并展示了该途径如何能够作为巨噬细胞的营养传感器并控制负责制备乙酰CoA的酶。因此，Akt-mTORC1途径可以控制IL-4信号传导导致的巨噬细胞中基因表达变化的水平。

分析表明，乙酰辅酶A水平的增加增加了一些基因的表达，这些基因导致M2巨噬细胞改变状态并发展其专家行为。

然而，只有这些基因的一部分 - 那些编码代谢苛刻的活动，如免疫细胞贩运的基因 - 以这种方式控制其表达。现在需要进一步的研究来调查其他巨噬细胞类型是否使用相同的途径来控制它们不同的代谢变化。例如，M1巨噬细胞上调葡萄糖和谷氨酰胺利用率（Tannahill等，2013; Cramer等，2003），而M2巨噬细胞增加b-氧化和谷氨酰胺消耗（Vats等，2006; Jha等，2015） ）。重要的是，这种代谢变化批判性地支持巨噬细胞活化。M1巨噬细胞中糖酵解通量的增加与从头脂肪生成相结合，这使得ER​​和高尔基体扩增并产生高水平的炎性细胞因子（Everts等，2014）。增强的糖酵解的另一个结果是TCA循环代谢物琥珀酸盐的积累，导致转录因子HIF-1a的稳定化​​和M1巨噬细胞中Il1b和其他靶基因的转录诱导（Tannahill等人，2013）。氧化代谢如何促进M2活化尚不清楚，但谷氨酰胺代谢促进UDP-GlcNAC的产生，UDP-GlcNAC是多种M2标记的重要修饰。

与代谢变化支持巨噬细胞活化的观点一致，最近的研究表明巨噬细胞极化信号影响代谢信号传导途径。像LPS和IL-4这样的极化信号调节Akt，mTORC1和AMPK的活性（Everts等，2014; Byles等，2013; Cheng等，2014; Weichhart等，2008），大概是为了协调严重构成巨噬细胞极化的代谢过程。有限的研究表明，扰乱这些代谢调节剂的活性会损害巨噬细胞的代谢和活化（Everts等，2014; Cheng等，2014）。例如，Akt介导增强的糖酵解以支持M1巨噬细胞中的脂质合成和炎性细胞因子分泌（Everts等人，2014）。Akt同样在生长和增殖细胞中刺激葡萄糖燃料的脂质合成，其中脂质用于构建细胞膜（Robey和Hay，2009）。因此，M1巨噬细胞共同选择代谢过程（Akt依赖性脂肪生成）以协调巨噬细胞特异性功能（炎性细胞因子分泌）。然而，一般而言，极化信号如何控制代谢变化，以及其对控制巨噬细胞活化的全部影响仍然知之甚少。

在这里，我们显示Akt-mTORC1途径整合到IL-4信号传导允许选择性控制一些M2反应。控制在Acly（Ac-CoA生产中的关键酶）的水平上发挥作用，从而调节组蛋白乙酰化和M2基因子集的转录诱导。与其作为重要代谢传感器的作用一致，Akt-mTORC1途径将代谢输入与这种基因特异性对照相结合。我们的研究结果还揭示了通过Akt-mTORC1信号传导与代谢状态相关的M2反应的亚组，包括趋化因子的产生和细胞增殖。

结果

Akt调节M2巨噬细胞中葡萄糖代谢的增加

Akt是涉及M2激活的主要代谢调节因子（Byles等，2013; Ruckerl等，2012），但其潜在的机制仍然很难表征。为了开始解决这个问题，我们采用无偏见的M2巨噬细胞代谢分析，使用基于LC / MS的代谢组学和一个测量约290种代谢所有主要代谢途径的小代谢物的平台（Ben-Sahra等， 2013）。最丰富的途径包括尿素循环和精氨酸和脯氨酸代谢，与先前的研究一致，表明M2巨噬细胞中精氨酸代谢的上调（Van Dyken和Locksley，2013），以及氨基酸利用和代谢和核苷酸代谢（图1A，补充文件1）。其他顶级富集途径包括糖酵解，氨基糖代谢和甘氨酸，丝氨酸和苏氨酸代谢，表明通过糖酵解和糖酵解分流改变通量。

图1. Akt调节M2巨噬细胞中葡萄糖利用率的提高。（A）通过基于LC / MS的代谢组学分析鉴定，用IL-4（相对于未刺激的巨噬细胞）刺激12小时富集巨噬细胞的顶部代谢途径。（B）M2巨噬细胞以Akt依赖性方式增加葡萄糖摄取。BMDM用IL-4处理指定的时间段（左）或16小时 /- Akt抑制剂MK2206（Akti）（右），然后分析 3H-脱氧-D-葡萄糖的摄取。（C）M2巨噬细胞中葡萄糖利用的增加与增强的氧化代谢和糖酵解相关。BMDM用IL-4处理20小时 /- Akt抑制剂，然后在细胞外通量分析中分析备用呼吸能力（SRC）和有氧糖酵解（ECAR）。（D）M2基因诱导对糖酵解抑制剂2-脱氧葡萄糖（2-DG）敏感。BMDM用IL-4处理16小时 /- 2-DG或b-氧化抑制剂依托昔韦预处理，然后通过qPCR分析M2基因诱导。（E）Akt不调节M2巨噬细胞中的b-氧化。用IL-4 /- Akt抑制剂预处理刺激36小时的BMDM与3小时一起孵育3小时

3H-棕榈酸酯用于分析b-氧化。学生的t检验用于确定统计学显着性，定义为* P lt;0.05，** P lt;0.01，和

***Plt;0.001.

由于M2激活被认为是由脂肪酸而不是葡萄糖利用维持（Cramer等，2003; Vats等，2006），我们决定重新检查糖酵解在M2巨噬细胞中的作用。我们发现BMDMs响应IL-4处理以时间依赖性方式增加葡萄糖摄取。使用Akt抑制剂MK2206进行联合治疗可以减少这种增加（图1B），表明由Akt控制并与Akt在许多环境中调节糖酵解的作用一致（Robey和Hay，2009）。此外，正如细胞外通量检测所示，M2巨噬细胞中葡萄糖消耗的增加与糖酵解和氧化代谢的Akt依赖性增加有关（图1C).重要的是，需要糖酵解通量来优化M2程序的实施。与b-氧化抑制剂etomoxir相似，糖酵解抑制剂2-DG减少了IL-4介导的一些M2基因的诱导（图1D).因此，Akt介导M2巨噬细胞中增强的葡萄糖消耗，这有助于M2基因表达的诱导。这种葡萄糖消耗还可以促进UDP-Glc-NAc的产生，UDP-Glc-NAc是一些M2标记的糖基化的底物（Jha等，2015）。相反，Akt不能控制M2巨噬细胞中的b-氧化。

IL-4信号传导激活Akt以允许选择性控制M2基因诱导

由于葡萄糖利用率的增加相对适度，我们认为Akt可能在控制M2激活中发挥额外作用，并转向对M2基因调控的分析。我们检测了Retnla，Arg1，Mgl2，Chi3l3，Cd36和Fabp4的诱导，这是M2激活研究中常用的“标志性”M2基因（Van Dyken和Locksley，2013）。与Stat6作为M2激活的转录主调节因子的作用一致（Odegaard和Chawla，2011），这些M2基因的诱导在Stat6 KO BMDMs中被消除（图2 - 图补充1A).重要且如所报道的（Byles等人，2013; Ruckerl等人，2012），Akt活性控制M2基因子集的诱导。在存在Akt抑制剂MK2206的情况下，Arg1，Retnla和Mgl2的诱导减少~40-80％，而Chi3l3，Cd36和Fabp4不受影响（甚至超诱导）（图2A).使用结构上不同的Akt抑制剂Aktviii产生类似的结果，表明抑制的特异性（数据未显示）。下面，这两组基因将分别称为Akt

依赖性和Akt非依赖性M2基因。

IL-4R激活Jak-Stat信号传导以及巨噬细胞中的Akt-mTORC1信号传导（Byles等，2013）（图2 - 图补充1B).受体连接激活Jak1和Jak3激酶的潜在活性，导致Stat6的磷酸化和活化，以及参与

衔接蛋白IRS2。IRS2募集PI3K，其从PIP2产生PIP3，导致Akt的磷酸化和活化。活化的Akt磷酸化并灭活TSC复合物（mTORC1的负调节剂）以激活mTORC1。虽然Jak-Stat和Akt-mTORC1信号传导之间的确切关系仍不清楚，但数据仍然存在图2A 和图2 - 图补充 - 1A 表明它们可以在IL-4R的平行和独立下游操作。实际上，正如Y641磷酸化所示，IL-4介导的Stat6活化增加在Akt抑制剂存在下不受影响（图2B).通过Stat6依赖性荧光素酶报告基因测量的Stat6活性也不受Akt活性抑制的影响（图2-图 补充1C).相反，WT和Stat6 KO BMDM可以类似地激活Akt，如S473磷酸化以及mTORC1所示，如mTORC1靶S6K的磷酸化所示，响应于IL-4（图2B).这些发现支持Jak-Stat和Akt-mTORC1途径是IL-4R下游的独立信号分支的观点，并且提出了所有M2基因由Stat6控制的基础，而子集接收来自Akt-mTORC1的额外输入途径。

Akt信号如何调节M2基因的子集？Wellen及其同事的一项开创性研究表明，在癌细胞和分化脂肪细胞中，代谢状态通过对组蛋白乙酰化的影响与基因表达相关（Wellen等，2009），因此我们假设Akt可能控制组蛋白乙酰化以调节M2基因表达。实际上，IL-4处理BMDMs增强了H3和H4组蛋白的全球乙酰化，如全细胞裂解物的蛋白质印迹所示（图2C, 图2-图补充2A，B).重要的是，通过用Akt抑制剂共处理，降低了整体H3和H4乙酰化的IL-4诱导增加，表明至少部分依赖于Akt（图2-图补充2A，B).相反，微管蛋白乙酰化不受IL-4处理的调节（图2-图补充2A，B).我们接下来通过染色质免疫沉淀（ChIP）实验检查了H3和H4乙酰化的基因特异性模式。IL-4处理增加M2基因启动子的H3和H4乙酰化（图2D，E, 图2-figure支持 请问2C），诱导型乙酰化程度与基因诱导程度相关性良好（图2A).有趣的是，H3t和H4乙酰化的这种增加通过以Akt依赖性方式（Arg1，Retnla，Mg12）诱导的M2基因的Akt抑制剂降低，但是不依赖于Akt诱导的M2基因（Chi3l3，Cd36，Fabp4）降低（图2D，E).M2基因启动子的Pol II募集与H3和H4乙酰化平行，并且以Akt依赖性方式诱导的M2基因受Akt控制（图2 - 图补充2D).总之，这些发现支持了这样的假设：Akt调节组蛋白乙酰化和Pol II在M2基因亚群中的募集。

图2. Akt调节某些M2基因的诱导型组蛋白乙酰化。（A）Akt活性刺激M2基因子集的诱导。用IL-4刺激BMDMs 16小时 /- Akt抑制剂MK2206（Akti）预处理，然后通过qPCR分析M2基因诱导。（B）Jak-Stat和Akt-mTORC1途径在IL-4R下游独立激活。如所示，用IL-4 /- Akt抑制剂刺激WT和Stat6KO

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