细胞内存的作用

doi:10.
3969/j.
issn.
1000鄄484X.
2017.
01.
032免疫代谢研究进展淤刘嘉婧摇刘荣花摇储以微摇(复旦大学上海医学院免疫学系,上海200032)摇摇中图分类号摇R392郾9摇摇文献标志码摇A摇摇文章编号摇1000鄄484X(2017)01鄄0148鄄04淤本文为高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(博导类)(20120071110046)和国家自然科学基金面上项目(81273215).
作者简介:刘嘉婧(1992年-),女,在读硕士,主要从事肿瘤免疫及综合治疗研究,E鄄mail:15211010041@fudan.
edu.
cn.
通讯作者及指导教师:储以微(1964年-),女,医学博士,教授,博士生导师,主要从事肿瘤免疫及综合治疗研究,E鄄mail:yiweichu@fudan.
edu.
cn.
摇摇机体的免疫细胞是一群与免疫应答有关的细胞群体,在大多数情况下,这群细胞处于相对静息状态,但在机体遭遇感染、创伤等各类因素的干扰时,这群细胞可以迅速活化,并发挥一系列免疫效应来维持机体的相对稳态.
机体的免疫应答涉及大量基因的表达和生物活性物质的生成,如细胞因子、抗体、脂质介质,这一过程中还包括细胞分化以及细胞趋化等一系列的免疫反应.
细胞从相对静止到活化的转化过程中,需要生成大量营养物质和生物介质以提供细胞活化所需的能量及原料[1].
腺嘌呤核苷三磷酸(Adenosinetriphosphate,ATP)是一种不稳定的高能化合物,在酶的催化作用下水解并释放大量能量,是生物体内最直接的能量载体,所以被称为细胞中的能量通货.
细胞内ATP主要通过葡萄糖分解代谢产生,而葡萄糖的分解代谢途径主要包括无氧酵解和有氧氧化.
其中,无氧糖酵解途径为不需氧的降解过程,主要在细胞质中完成,该过程将一分子葡萄糖转化成二分子的丙酮酸,并将有限的能量以ATP的形式储存.
三羧酸循环是有氧氧化的主要阶段,也是其他物质氧化分解和相互转变的中枢,它是从一个草酰乙酸到柠檬酸的闭合式循环反应,其中产生的NADH和FADH2经过电子传递体系氧化,最终将氧还原成水并释放大量能量.
在氧气充足的条件下,糖酵解产生的终产物丙酮酸可通过氧化脱羧形成乙酰辅酶A并最终进入三羧酸循环,同时,细胞也可以通过利用其他的底物,如谷氨酸盐、脂肪酸等来补充三羧酸循环;在缺氧的情况下,细胞主要通过糖酵解分解葡萄糖,并最终生成乳酸盐来产生ATP[1].
此外,除了糖酵解和三羧酸循环途径外,在某些情况下,磷酸戊糖代谢途径也可通过转化葡萄糖为细胞提供生物合成的重要原料———戊糖,并且产生细胞内重要的还原性辅酶———NADPH,为细胞的生命活动提供能量[1].
如上所述,细胞可以通过多种代谢途径来产生自身所需的能量,而细胞对于代谢途径的选择主要依靠转运蛋白及酶的表达[2].
因此,代谢相关基因及蛋白酶的选择性表达及转录后调控对细胞代谢途径的选择起到了决定性作用.
近来研究发现,在免疫细胞增殖、分化及其活化的过程中,自身的代谢途径也会发生改变,细胞更倾向于选择某些补充性代谢途径如磷酸戊糖途径来满足自身的生物合成,同时,某些代谢关键基因及蛋白酶在免疫细胞中的表达异常亦可直接或间接影响免疫细胞的功能.
因此,免疫细胞的代谢与其效应功能的发挥是相互影响的,在某种程度上,免疫代谢的改变对免疫细胞功能的发挥具有指向性意义.
2摇粒细胞与免疫代谢研究证实,髓系细胞产生ATP的主要途径是糖酵解.
以中性粒细胞为例,作为抗感染免疫的早期效应细胞,中性粒细胞细胞质内含有的线粒体数量较少,因此,中性粒细胞很少通过呼吸作用产生自身所需的能量.
一旦被Toll样受体激动剂等病原颗粒激活后,中性粒细胞的耗能增加,但线粒体内葡萄糖氧化代谢并未增强,而在其发挥吞噬效应的过程中,中性粒细胞产生大量糖酵解的终产物乳酸盐[3],表明增强糖酵解代谢可能是中性粒细胞适应自身能量需求的增多的主要方式.
另一方面,糖酵解的中间产物亦可进入磷酸戊糖途径,在该途径中生成NADPH,生成的NADPH作为重要辅酶因子介导粒细胞抗菌活性介质H2O2产生[4].
因此,中性粒细胞这种无氧代谢的特点,有利于其在深部炎性病灶的低氧环境中发挥杀菌作用[3].
此外,细胞内无功能线粒体的存在往往会导致线粒体膜电位的丧失,从而引起细胞色素C的释放而造成细胞凋亡[5],而中性粒细胞则可通过3鄄磷酸甘油脱氢酶穿梭来保证电子的传递[6],这样既可以·841·中国免疫学杂志2017年第33卷使糖酵解途径得以顺利进行,又可以保证氧化还原的平衡,从而避免细胞走向凋亡,使其可以更好地发挥抗菌效应.
嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞的免疫代谢机制与中性粒细胞存在相似性,与淋巴细胞相比,这些粒细胞均无法在外周大量增殖,这可能与它们自身的线粒体功能匮乏密切相关[1].
3摇巨噬细胞与免疫代谢巨噬细胞是一类位于组织内的固有免疫细胞,在脊椎动物体内参与固有免疫应答并介导适应性免疫.
它的主要功能是以固定或游离细胞的形式对残存细胞及病原体进行吞噬,并激活淋巴细胞或其他免疫细胞,引发其对病原体或有害物质的免疫清除反应.
疾病的不同时期、组织内在环境的改变及产生细胞因子的变化等会诱导出不同类型的巨噬细胞.
其中LPS等Toll样受体激动剂可以促进玉型巨噬细胞(M1)的活化,M1通过分泌促炎因子、诱生型一氧化氮合酶、活性氧等物质介导机体抗细菌、病毒感染及抗肿瘤免疫.
而细胞因子IL鄄4、IL鄄13等诱生的域型巨噬细胞(M2),主要发挥着抗炎及促进组织损伤修复的作用[7].
激活的M1与M2在代谢途径中表现出了显著的差异性.
M1主要通过无氧糖酵解途径来产生能量(图1),而M2主要依赖于有氧氧化途径(图1).
M1发挥抗菌效应时所处的缺氧微环境决定了这类巨噬细胞对于能量代谢途径的选择.
在这一条件下,糖酵解这种无氧代谢过程产生能量的速率可以满足巨噬细胞能量的快速消耗[8].
此外,糖酵解代谢途径对于M1抗菌活性物质活性氧(Reactiveoxygenspecies,ROS)的生成具有重要意义.
经Toll样受体激动剂刺激后,碳水化合物激酶(Carbohyd鄄ratekinase鄄likeprotein,CARKL)表达受到抑制,CARKL调控的磷酸戊糖途径增强,大量的糖酵解中间产物6鄄磷酸葡萄糖/6鄄磷酸果糖进入该代谢途径[9].
磷酸戊糖途径产生的NADPH为NADPH氧化酶的生成提供了原料,从而促进了ROS和NO的合成,并且保证细胞内还原性谷胱甘肽的产生,避免ROS的自发性氧化作用对巨噬细胞自身的损伤[10].
M2巨噬细胞在活化时的耗氧量有明显的增加.
当细胞内的氧化磷酸化受到抑制时,M2的活化也受到影响.
氧化磷酸化为M2提供了大量能量,使其能更好地发挥组织损伤修复功能[11].
此外,M2巨噬细胞还能有效地进行脂肪酸代谢,过氧化物酶体增殖物激活受体(Peroxisomeproliferator鄄activatedreceptors,PPARs)在活化的M2中的表达有显著的上调,作为脂肪酸受体的转录因子,它可以调控脂肪酸代谢途径相关基因的转录,促进脂肪酸的氧化,为M2巨噬细胞提供能量[12].
因此,线粒体中的氧化磷酸化作用与细胞的脂肪酸代谢对于M2发挥其生物学功能具有重要意义[13].
4摇淋巴细胞与免疫代谢有别于固有免疫细胞,适应性免疫细胞,主要是T和B淋巴细胞在活化后,能够快速且持久进行增殖,其代谢途径有别于固有免疫细胞,却在代谢方式上与肿瘤细胞存在一定的相似性[14].
此外,淋巴细胞的另一个免疫效应特点就是可以产生记忆性淋巴细胞,而产生的记忆淋巴细胞与效应淋巴细胞的代谢途径也有所不同.
在淋巴细胞的代谢途径中,研究较多且较为明确的是T细胞的免疫代谢格局.
当T细胞被TCR及共刺激分子等信号激活后,细胞代谢由静息状态下的分解代谢(异化作用)转变成为合成代谢(同化作用).
这主要是因为初始T细胞所需的能量仅用于维持自身代谢平衡,而活化的效应T细胞则需要大量的能量及生物原料进行增殖分化,形成新一代的子细胞.
与其他未活化的免疫细胞代谢途径相同,静息状态下的初始型T细胞无氧酵解代谢活性降低,主要是通过葡萄糖的有氧氧化或脂肪酸氧化来产生ATP[15](图2).
一旦被激活后,细胞体积明显增大,并且对葡萄糖的利用从原先的有氧氧化途径向糖酵解途径转变[16](图2).
在这过程中,一些细胞因子如IL鄄2和共刺激分子CD28可以引起PI3K介导的AKT通路的激活,激活的AKT可以引起mTOR信号通路转导,从而促进氨基酸和葡萄糖代谢.
但也有研究显示,某些活化的效应T细胞在有氧环境下并不像其他正常细胞一样选择有氧氧化,而是利用图1摇巨噬细胞代谢方式Fig.
1摇Metabolismofmacrophages·941·刘嘉婧等摇免疫代谢研究进展摇第1期图2摇T细胞代谢方式Fig.
2摇MetabolismofTcell葡萄糖发酵途径代谢葡萄糖以摄取能量,这种现象被称为"Warburg冶效应.
Warburg效应最早是在肿瘤代谢中提出的,这种高酵解活性可以产生大量的有机物分子,为细胞的增殖分化提供原料.
在T细胞活化过程,除糖代谢途径发生改变之外,其他的代谢通路也发生着转变,这其中比较重要的代谢转变就是谷氨酸盐的代谢增强.
与糖代谢产生能量的方式不同,谷氨酸盐需要通过线粒体的三羧酸循环来产生能量[14].
T细胞活化后,糖酵解的终产物丙酮酸盐主要进入磷酸戊糖途径,此时谷氨酸盐代谢增强有利于补充三羧酸循环,从而保证细胞内存在有足够的三羧酸循环中间产物用于脂质等生物大分子的合成.
此外,谷氨酸盐还可以为非必需氨基酸及核酸的合成提供氮源[17].
作为静息状态下的T细胞亚群,记忆性T细胞的代谢方式与初始型T细胞相似,主要依赖于有氧氧化(图2).
然而,记忆性T细胞表现出了较高的线粒体效率,即较大的线粒体呼吸可用容量[18].
在处于高负荷、营养匮乏等不良环境中,细胞可以利用其储备资源去产生更多的能量,提高细胞的活力.
鉴于这种特性,在记忆性T细胞第二次接触到抗原后,线粒体可以迅速产生大量能量以满足细胞自身的生物合成[19,20].
5摇免疫代谢对免疫细胞功能的影响调控代谢的关键酶与免疫细胞功能基因的表达相关,它们可以作为RNA的结合蛋白,调控靶RNA的转录[21].
许多参与代谢反应(如TCA循环、糖酵解、磷酸戊糖途径)的关键酶分子已被证实具有这种功能.
Chang等[22]发现,糖酵解反应酶GAPDH可以结合到富含AU的mRNA3忆UTR端,调控细胞因子的转录后翻译,当用siRNA干扰细胞内GAPDH的表达时,IFN鄄酌的含量有所提高.
进一步研究证实,在髓系细胞中,GAPDH是IFN鄄酌激活抑制复合物GAIT的组成成分,通过结合到3忆UTR端来抑制GAIT基因的转录[23].
此外,代谢途径中的一些调控因子可以直接调节免疫细胞的功能.
如糖酵解的调控分子HIF鄄1琢可以促进M1巨噬细胞IL鄄1茁及某些髓系细胞表面PD鄄L1的表达[24].
芳烃受体蛋白(Aryl鄄hydrocarbonreceptor,AhR)与HIF鄄1琢的协同作用不仅可以参与调节Tr1,的糖酵解代谢途径,还可以直接影响T细胞的免疫应答.
AhR可以促进Th17的分化,抑制Treg的形成,并且,AhR对于Th17细胞因子IL鄄17以及IL鄄22的分泌具有重要的调控作用.
代谢途径的中间产物也可调控免疫细胞的功能.
如糖酵解的中间产物磷酸烯醇丙酮酸盐(Phosphoenolpyruvate,PEP)对于TCR信号通路的传导以及T细胞功能的发挥具有重要意义,PEP可以促进内质网对Ca2+的摄取,从而促进NFAT信号通路[25].
而髓系细胞在三羧酸循环中产生的琥珀酸盐可以通过琥珀酸受体作用于DC,影响DC的免疫效应功能,并促进DC的趋化作用来增强该细胞的抗原提呈作用[26].
此外,一些代谢中间产物还是某些调控基因表达的酶的重要底物,可以参与到DNA以及组蛋白的共价调节中去[27].
其中,组蛋白的脱甲基酶需要琢鄄酮戊二酸作为底物,并且受到琥珀酸盐的抑制.
而作为组蛋白重要的去乙酰化酶———sirtuin,其去乙酰化作用的发挥与NAD+/NADH相关[28].
氧化后的NAD+是sirtuin的重要底物,而细胞内的NADH会抑制sirtuin的功能,从而促进组蛋白的转录.
6摇展望免疫细胞处在一个动态的微环境中,其功能的发挥受到许多因素的影响,其中能量代谢途径在免疫细胞发挥效应功能的过程中起到非常重要的作用,它直接或者间接调控着免疫细胞的增殖、分化及功能的发挥.
此外,不同的免疫细胞、免疫细胞的不同分化阶段所选择的代谢途径也有所不同,这些都为我们更好地了解机体免疫应答机制提供了新的方向与思路.
但免疫细胞与免疫代谢之间仍存在着许多未知,免疫细胞的代谢途径比较繁多,能量代谢又是怎样影响免疫细胞功能的发挥也有待深入研究,免疫代谢领域有望成为免疫学研究的一个重要分支,对揭示一些未知的免疫应答现象具有重要意义.
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