清华大学胡小玉/陈立功团队打开肌酸代谢调控免疫的大门丨CellPress对话科学家

巨噬细胞的选择性活化是受到多种信号精密调控的高度可塑和动态化过程 【4】【6】。在干扰素-γ（IFN-γ）的介导下，巨噬细胞以经典激活途径活化，即M（IFN-γ），行使促炎和抗细菌免疫反应。在白介素-4（IL-4）的介导下，巨噬细胞以旁路激活途径活化，即M（IL-4），促进机体寄生虫清除和组织修复【2】【4】。巨噬细胞的选择性活化伴随着L-精氨酸代谢的剧烈变化。诱导型一氧化氮合酶（iNOS）和精氨酸酶1是已知能够分别调控巨噬细胞的经典激活与旁路激活途径的两种L-精氨酸催化酶【1】【5】。第三种L-精氨酸代谢产物——肌酸，以关键的细胞能量储备的身份为大家所知，但其在免疫系统中的作用鲜为人知。

近日，一篇来自中国科学家的论文在Cell Press细胞出版社旗下期刊Immunity上发表：清华大学胡小玉团队与陈立功团队合作，以“Slc6a8-Mediated Creatine Uptake and Accumulation Reprogram Macrophage Polarization via Regulating Cytokine Responses”为题，首次报道了肌酸代谢对于巨噬细胞选择性活化的调控。此项研究探索了巨噬细胞胞内肌酸的来源、功能及其作用机制，将“肌酸代谢”与“巨噬细胞选择性活化“这两个生物过程联系在了一起，指出肌酸在免疫代谢中的重要作用。

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肌酸是L-精氨酸代谢下游的中间产物。由于其磷酸化过程伴随ATP-ADP的转换，肌酸成为机体重要的能源物质，并在脑组织和骨骼肌等能量需求较高的组织富集，同时参与神经功能的行使 【7】。

临床研究发现肌酸通路中相关基因的缺失与神经功能障碍相关，如智力迟钝和语言障碍等【3】。位于X染色体上的Slc6a8即是上述与肌酸相关的重要基因之一。Slc6a8基因编码溶质载体家族6中一类Na+离子依赖型的肌酸转运蛋白，能够维持胞内肌酸的高浓度 【7】。虽然距肌酸的发现已过180年，除在脑组织或骨骼肌以外，肌酸的生物学功能仍少有报导，其在免疫系统中的作用更是鲜为人知。受到L-精氨酸催化酶iNOS与精氨酸酶1调节巨噬细胞选择性活化作用的启发，研究团队推测肌酸可能在巨噬细胞中有一定的功能。

图解肌酸调控巨噬细胞选择性活化的过程

首先，研究发现巨噬细胞内高浓度的肌酸并非来自于从头合成途径，而是依赖于溶质载体Slc6a8的转运作用，并揭示Slc6a8是调控巨噬细胞肌酸转运的主要载体。采用Lyz2cre/crexSlc6a8fl/y条件性敲除小鼠，研究者们发现肌酸对于巨噬细胞稳态条件下的发育和功能是非必要的，而Slc6a8在巨噬细胞中的特异性敲除可以增强其胞内M（IFN-γ）特定基因（如Nos2）的表达，Slc6a8分子转运的肌酸抑制M（IFN-γ）。肌酸类似物的回补实验进一步说明肌酸是M（IFN-γ）的有效抑制剂。

结合李斯特菌感染模型，此项研究从体外和体内免疫应答的角度，全面地说明Slc6a8-肌酸阻止巨噬细胞的经典激活途径。对此现象的调控机制进行深入探索，研究团队发现肌酸通过破坏IFN-γR2-JAK2的相互作用，而抑制IFN-γ-STAT1信号，引起巨噬细胞经典激活途径的阻断。

在明确了肌酸对于巨噬细胞经典激活途径的作用后，为探究肌酸在巨噬细胞旁路激活途径中的功能，研究团队发现肌酸能够增强胞内ATP的浓度，并促进M（IL-4）的免疫应答和嗜酸性粒细胞的招募能力。这些体内与体外实验结果细致而全面地体现出肌酸促进M（IL-4）的功能。进一步的研究揭示肌酸通过ATP依赖的SWI-SNF复合体调控染色质重组，增强IL-4-STAT6信号，实现对M（IL-4）相关基因的调控，促进巨噬细胞的旁路激活途径。

此项研究从基因、基因组、代谢与免疫方面进行分析，发现肌酸抑制M（IFN-γ）并促进M（IL-4），揭示肌酸对巨噬细胞选择性活化的作用。全面阐述肌酸通过抑制IFN-γ-JAK-STAT1转录因子信号而抑制M（IFN-γ），同时通过促进染色质重塑而增强IL-4-STAT6信号并激活精氨酸酶1的表达。以条件性敲除肌酸转运蛋白Slc6a8的方式使巨噬细胞缺失肌酸，从而在体内改变巨噬细胞介导的免疫应答。这些研究发现了肌酸能够调节巨噬细胞选择性活化这一全新的功能。

针对此项研究，Cell Press细胞出版社邀请了两位通讯作者，清华大学胡小玉研究员与陈立功研究员为大家进行解读。

作者专访

Cell Press：此项研究发现，作为一种能量代谢的中间产物，肌酸可以通过增强IL-4-STAT6信号调节巨噬细胞的选择性活化，促进其招募嗜酸性粒细胞的功能，您认为此项研究可以对免疫代谢和免疫疾病的研究提供哪些启发？

胡小玉研究员与陈立功研究员：能量代谢在巨噬细胞介导的免疫应答中发挥着重要的功能，比如说线粒体中的氧化磷酸化过程是IL-4介导的巨噬细胞活化【以下简称M（IL-4）】的必要条件之一。我们的研究则从另外一个角度解析了能量代谢在M（IL-4）中的作用，即肌酸通过维持巨噬细胞内ATP的含量来促进特定M（IL-4）基因的表达，从而提升IL-4介导的免疫应答和嗜酸性粒细胞招募。这些结果启发我们，肌酸介导的能量代谢维持着M（IL-4）的正常功能，有利于促进II类免疫反应，如对抗寄生虫感染、组织修复等过程。未来研究可以对健康和疾病状态下巨噬细胞能量代谢做更加全面的分析，以期能够为II类免疫反应相关疾病如过敏、组织纤维化、寄生虫感染等提供新型的治疗靶点。

Cell Press：机体内的诸多器官与组织均有巨噬细胞的定居，比如肝脏和脑组织，而巨噬细胞也可以根据其定居的器官或组织的区别而产生功能的区别。您的研究发现肌酸的缺失与严重的肝脏纤维化相关，同时文章指出脑组织是富含肌酸的组织，可否请您谈一谈以肌酸为代表的代谢相关分子对于不同组织中巨噬细胞的影响。

胡小玉研究员与陈立功研究员：不同组织的巨噬细胞活化状态不一样，受到组织微环境中的细胞因子和代谢分子等因素影响。比如说，腹腔中含量很高的视黄酸（retinoic acid）能够维持巨噬细胞中GATA6转录因子的表达，从而促进腹腔巨噬细胞的分化及生理功能；由肠道菌群代谢而生的丁酸盐（butyrate）可以抑制肠道巨噬细胞促炎症因子的表达，有利于维持肠道巨噬细胞抗炎的状态；在脾脏中，血红素促进巨噬细胞中转录因子SpiC的表达，从而维持脾脏红髓巨噬细胞的生理功能。在我们的研究中，肌酸在肝脏和大脑中含量比较丰富，也很有可能在维持肝脏定居巨噬细胞（库普弗细胞）和大脑定居巨噬细胞（小胶质细胞）的生理功能上起到重要功能。在组织定居巨噬细胞中深入探究肌酸的功能将是我们下一步的研究目标和方向之一。

Cell Press：研究开展期间是否遇到一些困难，您和您的团队是如何攻克它们的？

胡小玉研究员与陈立功研究员：跟大多数科学探索一样，一开始寻找肌酸的功能是一个比较艰辛的过程，我们前期尝试过很多条件去处理巨噬细胞（如LPS等），也做过一些体内模型，然而并没有发现肌酸在其中有什么功能。我们当时是抱着所有条件都试试的态度，最后发现在IFN-γ的刺激条件下，巨噬细胞缺失肌酸后，一些促炎基因（Nos2和Cxcl9等）表达上调十分明显，这才让我们坚信肌酸在巨噬细胞中确实有很重要的功能。后来我们又尝试了IL-4的刺激，也发现了基因表达的差异，发现肌酸既能调控M（IFN-γ），也能调控M(IL-4)，在巨噬细胞两个经典方向的活化过程中都有重要作用。

后面分子机制方面的探究也很曲折，因为肌酸是一个能量介质，我们一开始都认为它很可能是通过能量相关的信号通路，如AMPK和mTOR等，来调控相关基因的表达，然而大量的重复实验表明事实并非如此。于是我们回归到细胞因子介导的JAK-STAT信号通路，结果发现，在M（IFN-γ）中，肌酸是通过抑制IFN-γ-JAK-STAT1信号通路来抑制下游基因的表达；而在M（IL-4）中，肌酸并不影响IL-4介导的JAK-STAT6信号通路。这说明肌酸是通过两种不同的分子机制分别调控M（IFN-γ）和M（IL-4）的活化，这也增加了课题的难度和工作量。后来我们秉着排除所有可能性的信念，把所有能想到的调控方式都尝试了一遍，最后才基本弄明白肌酸是如何调控M（IFN-γ）和M（IL-4）的活化的。然而后期还需要更多的实验去深入探究肌酸作用的分子机制，目前为止还不十分清楚肌酸这样一种常见的能量代谢分子是如何高度特异性地调控细胞因子受体信号转导及其下游基因表达。

Cell Press：此项研究对于肌酸依赖于Slc6a8进入胞内、从而调节巨噬细胞选择性活化的现象及机制做了深入的探索和全面的阐述，基于此项研究的发现，后续研究还有哪些工作将要进行？您的团队下一步的研究方向如何？

胡小玉研究员与陈立功研究员：在功能方面，我们将深入探究肌酸在不同组织定居巨噬细胞中的功能，如上面所说的库普弗细胞和小胶质细胞等。此外，我们还将尝试更多的疾病模型，以更深入地探究肌酸在病理条件下的功能，并开发特异性的抑制剂，用于相关疾病的治疗。另外一方面，除了巨噬细胞，肌酸在其它免疫细胞中的功能也未知，这也是一个很值得深入探究的方向，能够比较全面地揭示出肌酸在免疫系统中的功能。除了肌酸转运蛋白Slc6a8，免疫细胞中还有许许多多未知功能的转运蛋白家族成员，本文的研究也启发了我们从转运蛋白角度去探究免疫代谢的领域，未来可以发掘更多在免疫系统中发挥重要功能的转运蛋白。

论文通讯作者介绍

关于 胡小玉 研究员

胡小玉，清华大学免疫学研究所研究员。毕业于北京大学医学部基础医学系，于美国康奈尔大学获得免疫学博士学位，并曾担任康奈尔医学院助理教授。她的主要研究领域是天然免疫，包括巨噬细胞活化与功能的调控以及肠道上皮细胞在稳态维持和宿主防御中的作用，目前已发表论文50余篇，多项研究成果以通讯作者身份发表在Immunity, Nature Immunology, Cell Host & Microbe, Journal of Experimental Medicine等国际期刊上。她的科研成果曾被多家媒体引用，其中包括时代杂志的在线报道。她曾获得多个奖项包括国际细胞因子协会青年女性科学家奖、国家自然科学基金委杰出青年基金、英国皇家学会牛顿高级学者、美国关节炎协会青年学者等。

关于 陈立功 研究员

清华大学药学院研究员，本科毕业于南开大学化学系，于美国加州大学伯克利分校获得博士学位。主要研究重要SLC转运蛋白的生理和药理功能，发现了多种转运蛋白的内源性底物以及他们在代谢性疾病、癌症和免疫系统中的代谢调控和致病机理, 为这些疾病治疗提供了潜在的药物靶点和新的治疗策略。目前已发表论文40余篇，多项研究成果以通讯作者/共同通讯身份发表在 Immunity, Gut, Hepatology, Nature Communications和PLOS Biology等国际期刊上。他的研究成果曾被多家国际媒体引用，其中包括科学杂志和科学美国人的在线报道。他曾获得多个奖项包括国家青年千人计划，国家“万人计划”中青年科技创新领军人才，药明康德生命化学奖，清华大学优秀教学奖，拜耳研究员奖，杨森研究员奖等。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Immunity上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Slc6a8-Mediated Creatine Uptake and Accumulation Reprogram Macrophage Polarization via Regulating Cytokine Responses

论文网址：

https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(19)30277-8

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.immuni.2019.06.007

参考文献（上下滑动查看）

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2. Gordon, S., & Martinez, F. O. (2010). Alternative activation of macrophages: mechanism and functions. Immunity, 32(5), 593-604. doi:10.1016/j.immuni.2010.05.007

3. Joncquel-Chevalier Curt, M., Voicu, P. M., Fontaine, M., Dessein, A. F., Porchet, N., Mention-Mulliez, K., . . . Vamecq, J. (2015). Creatine biosynthesis and transport in health and disease. Biochimie, 119, 146-165. doi:10.1016/j.biochi.2015.10.022

4. Murray, P. J., Allen, J. E., Biswas, S. K., Fisher, E. A., Gilroy, D. W., Goerdt, S., . . . Wynn, T. A. (2014). Macrophage activation and polarization: nomenclature and experimental guidelines. Immunity, 41(1), 14-20. doi:10.1016/j.immuni.2014.06.008

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