Nature | 巨噬细胞富马酸水合酶抑制线粒体RNA介导的干扰素产生

首先利用无偏代谢组学方法研究炎症性骨髓源性巨噬细胞 (BMDM) 中急性和长期脂多糖 (LPS) 刺激期间发生的代谢变化，发现LPS刺激后富马酸盐水平和富马酸盐介导的蛋白质琥珀化增加。据此提出天冬氨酸-精氨基琥珀酸分流可能是富马酸的来源，因为观察到天冬氨酸减少和精氨基琥珀酸、富马酸和苹果酸水平增加。这也发生在长时间LPS刺激期间。LPS刺激后，精氨基琥珀酸合酶 (Ass1) 的表达增加，而富马酸水合酶 (FH) 的表达减少。用GOT2抑制剂氨氧乙酸 (AOAA) 抑制天冬氨酸-精氨基琥珀酸分流并敲低Assl可防止富马酸积累，表明富马酸的产生依赖于天冬氨酸-精氨基琥珀酸分流。

图1. LPS刺激通过谷氨酰胺回补和天冬氨酸-精氨琥珀酸分流驱动富马酸积累

作者使用稳定同位素辅助示踪代谢流分析来研究富马酸盐积累的来源及其与天冬氨酸-精氨琥珀酸盐分流的关系，发现谷氨酰胺依赖性回补是导致富马酸积累并驱动天冬氨酸-精氨琥珀酸分流的原因。U-¹³C₅-谷氨酰胺代谢流分析进一步证实谷氨酰胺分解是TCA循环、天冬氨酸-精氨基琥珀酸分流代谢物（包括富马酸盐和谷胱甘肽）的碳源。

扩展图2. LPS刺激通过谷氨酰胺回补和天冬氨酸-精氨琥珀酸分流驱动富马酸积累

¹⁵N₂-谷氨酰胺代谢流分析还表明，谷氨酰胺氮是谷胱甘肽合成和天冬氨酸-精氨琥珀酸分流代谢物的来源。

扩展图3. LPS刺激通过谷氨酰胺回补和天冬氨酸-精氨琥珀酸分流驱动富马酸盐积累

AOAA对GOT2的抑制通过其阻止谷氨酰胺氮对天冬氨酸、天冬酰胺、精氨酸和瓜氨酸的贡献得到证实。代谢组学分析表明，LPS刺激导致胞质溶胶中衣康酸、琥珀酸、精氨基琥珀酸、富马酸和2SC等代谢物的积累。据此提出假说，不能合成衣康酸的 Irg1^–/– BMDMs由于琥珀酸脱氢酶抑制作用的减轻，会表现出更多的天冬氨酸-精氨基琥珀酸旁路代谢物的积累。 Irg1^–/– BMDM的代谢组学分析证实了这一假设，显示衣康酸和琥珀酸水平降低，天冬氨酸-精氨琥珀酸分流代谢物增加，包括富马酸和一氧化氮，进一步支持了线粒体TCA循环活动与天冬氨酸-精氨琥珀酸分流之间的联系。

扩展图4. 胞质溶胶和Irg1^–/–巨噬细胞中天冬氨酸-精氨基琥珀酸分流代谢物的增加

为了研究TCA循环和相关代谢途径如何调节巨噬细胞功能。通过药理学抑制剂和基因敲除模型来操纵巨噬细胞中的FH活性，然后分析由此产生的代谢途径和细胞功能的变化。结果发现FH抑制导致线粒体生物能量学受损和TCA循环代谢物的改变，包括富马酸盐和2SC积累的增加。FH抑制还诱导氧化还原应激反应，如活性氧产生增加和谷胱甘肽水平降低，同时抑制FH会导致吞噬作用受损以及响应LPS刺激而产生促炎细胞因子。这些影响部分由富马酸盐的积累介导，富马酸盐抑制琥珀酸脱氢酶并导致线粒体呼吸受损和ROS产生。FH抑制还增加了免疫调节代谢物衣康酸盐的产生，该物质之前已被证明具有抗炎作用。表明FH抑制可能是一种潜在的调节巨噬细胞介导的炎症的治疗策略。

图2. FH抑制会增加生物能量应激、富马酸盐水平和MMP

FHIN1是FH的一种抑制剂，可降低ATP/ADP、ATP/AMP和P-肌酸/肌酸的比率，损害基础呼吸、ATP 产生和最大呼吸，并导致明显的代谢变化。用FHIN1处理的细胞中活性氧的产生增加，线粒体膜电位 (MMP) 依赖性染料Mitotracker Red的染色强度增加，乌头酸盐/柠檬酸盐比率降低，这表明富马酸盐敏感性和氧化还原敏感的TCA循环酶乌头酸酶。 此外，FH抑制诱导了大量的氧化还原应激反应，导致总谷胱甘肽耗尽，这与富马酸盐介导的谷胱甘肽耗尽一致。

扩展图5. FH缺失会增加生物能量应激、富马酸盐和线粒体膜电位

用FHIN1处理的BMDM进行RNA测序和蛋白质组分析。基因富集分析确定了与新陈代谢相关的基因受到抑制，以及影响炎症的途径，例如IL-1和IL-10信号传导。 发现TNF信号转导是分析中上调程度最高的通路。比较FHIN1和DMF在细胞因子读数上的结果表明，两者都降低了IL-10的释放和表达，而TNF的释放和表达增加了。FH调节的IL-10-TNF轴在人体细胞中具有活性。GOT2抑制剂AOAA可减少富马酸盐的积累，可分别适度增加和减少IL-10和TNF的释放。

图3. 维持适当的细胞因子反应需要FH活性

FHIN1和DMF还降低了IL-1β表达和IL-6释放。还观察到增加的氨基酸代谢和运输以及自噬转录物，它们对ERK1/2和PI3K诱导的AP-1信号轴的下调可能会抑制IL-10，但未观察到上游激酶AKT、JNK、ERK和p38的变化。巨噬细胞中Fh1的缺失导致IL-10表达和释放减少以及TNF释放增加，因FH的药理学或遗传抑制而加剧，导致富马酸盐积累增加。因此，FH的持续表达和活性可以防止富马酸的过度积累和IL-10 、TNF的失调产生。

扩展图6. FH抑制重塑炎症基因表达

与此同时，FH抑制导致巨噬细胞中NRF2和ATF4应激反应的激活以及与炎症相关的激素GDF15的产生增加。FHIN1和DMF处理导致IL-10表达和释放减少以及TNF释放增加。FH抑制增加了线粒体谷胱甘肽进口商SLC25A39的表达。

I型干扰素 (IFN) 反应，基因的RNA-seq分析显示FH抑制后对IFN表达和信号传导的不同影响，Tlr7或dsRNA传感器Ddx58和Ifih1的沉默消除了用FH抑制观察到的IFNβ释放的增加，表明FHIN1驱动的IFN反应对这些传感器和线粒体RNA而不是线粒体DNA的非冗余需求。在SLE患者中，与来自健康个体的样本相比，FH表达被显着抑制，并且已在SLE 患者中检测到针对dsRNA和dsDNA的自身抗体。

图4. FH损伤通过线粒体RNA驱动的逆行反应触发IFNβ释放

使用改变MMP的化合物，如寡霉素、缬氨霉素和 CCCP，可诱导mtRNA的积累并促进LPS驱动的IFNβ释放。这些发现表明线粒体损伤和核酸释放可能在免疫介导的疾病中发挥作用。

LPS诱导的Ddx58和Ifih1的表达表明，在LPS刺激过程中需要RIG-I-MDA5信号传导，并且LPS后期刺激过程中的Ifnb1转录由mtRNA释放维持。 这些发现表明，线粒体逆行I型IFN反应在晚期LPS激活过程中是内源性活跃的，并且可能对衰老过程中的慢性炎症有影响。

扩展图7. 延长的LPS刺激会增加线粒体膜电位和dsRNA

本文发现了导致mtRNA释放的线粒体逆行信号通路，该通路可能有助于SLE等干扰素病中I型干扰素的释放。已在SLE患者中发现与线粒体应激相关的FH抑制，并且在SLE患者中检测到针对dsRNA和dsDNA的自身抗体。结果表明，FH抑制和I型IFN释放之间可能存在负反馈回路，这可能有助于炎症驱动的肿瘤发生，并在病毒感染期间作为潜在的宿主防御机制。本文还指出了内源性产生的dsRNA的临床相关性，并表明靶向该通路可能会导致新的抗炎策略。

Macrophage fumarate hydratase restrains mtRNA-mediated interferon production. Nature. 2023.

请扫描阅读原文文献

麦特绘谱生物科技（上海）有限公司（Metabo-Profile）汇聚了从事代谢组学和转化医学研究近二十年的海内外专家团队，专注于精准医学和健康领域的高端代谢组学技术服务，是一家集科技服务、健康检测及产品研发于一体的国家级高新技术企业、上海市“专精特新”企业，已成为全球代谢组学研究者的优选合作伙伴。公司拥有自建1500+功能性小分子代谢物数据库JiaLib^TM、国际领先的代谢组学分析技术平台和全自动化TMBQ定量数据处理软件、代谢组学数据在线分析平台iMAP。麦特绘谱已为数百家三甲医院、科研院所和企业提供高端代谢组学一站式整体解决方案，协助客户与合作伙伴发表SCI文章240多篇，累计影响因子2300+，包括Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Signal Transduction and Targeted Therapy, Science Translational Medicine等顶级期刊。