Nature Metabolism：多组学揭秘一氧化氮驱动巨噬细胞动态代谢重编程新机制
经典激活的巨噬细胞通过一氧化氮驱动发生功能显著的核苷酸代谢重塑
2025年8月，美国威斯康星大学麦迪逊分校和摩格里奇研究所的相关研究人员在《Nature Metabolism》（IF:20.8）上发表了题为“Classically activated macrophages undergo functionally significant nucleotide metabolism remodelling driven by nitric oxide”的研究论文，该研究全面揭示了经典激活的巨噬细胞通过一氧化氮（NO）调控核苷酸代谢重编程的分子机制，阐明了嘌呤补救合成对巨噬细胞免疫功能的关键作用，为免疫代谢调控及潜在代谢干预靶点提供理论依据。
亮点概述：
- 核苷酸代谢是在经典激活的巨噬细胞中发生显著重塑的关键代谢通路。
- 核苷酸代谢重编程时嘧啶从头合成受阻，嘌呤合成转向补救途径，同时核苷酸降解增强。
- NO是核苷酸代谢的主要调控因子，通过抑制肌苷单磷酸（IMP）环水解酶（ATIC）和黄嘌呤氧化还原酶（XOR）活性和下调胸苷酸合成酶（TYMS）表达，驱动代谢转换。
研究背景：
巨噬细胞是先天免疫系统的关键细胞，能够动态呈现多种功能状态。例如，当感知到与感染相关的经典激活信号（如细菌细胞壁成分脂多糖（LPS）和干扰素-γ（IFNγ））时，巨噬细胞首先启动促炎功能以清除病原体。随后这些反应逐渐消退，转而形成促进愈合和炎症消退的表型。这种功能转变往往伴随着代谢的动态重编程，并在巨噬细胞免疫应答中起关键作用。
理解免疫应答过程中与巨噬细胞功能耦合的代谢重编程具有广泛意义，特别是考虑到巨噬细胞参与多种疾病进程。然而，除中心碳代谢和脂质代谢途径外，巨噬细胞在更广泛代谢网络中的调控机制仍有待深入解析。
为系统鉴定经典激活过程中发生重编程的代谢通路，研究人员首先对LPS和IFNγ刺激24h的小鼠骨髓来源巨噬细胞（BMDMs）与未刺激对照组进行了代谢组学分析。通路富集分析结果表明，最显著受影响的代谢通路包括：（1）精氨酸代谢通路，其重塑是巨噬细胞极化的经典标志之一；（2）柠檬酸循环，最新研究强调其在协调巨噬细胞免疫应答中的关键作用；（3）嘌呤代谢、嘧啶代谢和磷酸戊糖途径，它们都属于核苷酸代谢范畴；（4）天冬氨酸、丙氨酸和谷氨酰胺代谢，这些通路与柠檬酸循环及核苷酸代谢密切相关。总体而言，该分析不仅验证了既往认知中精氨酸代谢和柠檬酸循环的重要性，还确定了在巨噬细胞中被低估的核苷酸代谢，其显著重构与经典激活密切相关。
此外，研究人员进一步分析了巨噬细胞在持续或急性经典激活信号刺激下核苷酸代谢随时间变化的动态特征。代谢组学分析表明，持续和急性刺激均在24h后诱导巨噬细胞核苷酸代谢发生显著重编程。当细胞持续暴露于刺激物时这些代谢变化通常更为显著，而长时间（72-96h）后，许多急性刺激诱导的变化是可逆的。进一步对BMDMs在急性刺激后的转录组结果进行了时序分析，发现其结果和代谢组学高度一致，表明核苷酸代谢在经典刺激下经历了显著的重编程。
多组学分析表明，核苷酸代谢是一种在经典刺激下被重新编程的代谢途径
为研究核苷酸从头合成途径，研究人员利用γ-15N-谷氨酰胺对LPS加IFNγ持续刺激48h的BMDMs和相同培养时间但未刺激的BMDMs（对照组）进行了同位素示踪实验。由于谷氨酰胺是嘌呤和嘧啶从头合成的主要氮供体，从谷氨酰胺到下游核苷酸合成中间体的标记氮的掺入速率可反映不同嘌呤和嘧啶合成反应的活性。代谢流结果表明，嘧啶核苷酸的从头合成途径发生了显著变化。虽然刺激与未刺激状态的巨噬细胞都能积极地进行嘧啶核苷酸的从头合成至尿苷酸（UMP）阶段，但经LPS + IFNγ刺激后，分别由三磷酸胞苷（CTP）合成酶（CTPS）和胸苷酸合成酶（TYMS）催化的胞苷与胸苷核苷酸合成途径被完全阻断。
同样地，嘌呤从头合成在刺激后也发生显著变化。表现为肌苷单磷酸（IMP）合成前之前最后一个嘌呤从头合成中间体5-氨基咪唑-4-羧酸核苷（AICAR）在刺激和未受刺激状态下均可被γ-15N-谷氨酰胺快速完全标记（M+2），未受刺激的BMDMs继续将标记掺入IMP及其下游的核苷酸，相反，在受刺激的BMDMs中这种标记完全消失。总之，由双功能酶AICAR转甲酰酶/IMP环水解酶（ATIC）介导的嘌呤从头合成最后一步——将AICAR转化为IMP的反应，在刺激条件下会被阻断并转向增加嘌呤补救合成途径。此外，U-13C-葡萄糖和U-15N-肌酐的示踪实验表明，核苷酸降解为含氮碱基的途径被上调，但嘌呤碱基的完全氧化（由黄嘌呤氧化还原酶（XOR）催化）受到抑制，使代谢流转向嘌呤补救途径而非彻底降解为尿酸。
动力学谷氨酸酰胺标记揭示核苷酸从头合成的阻断
接下来，研究人员试图阐明驱动核苷酸代谢反应中这些关键变化的机制。通过寻找与核苷酸代谢活性变化时间相关的改变，发现诱导型一氧化氮合酶（iNOS，由Nos2编码）强烈诱导后不久，核苷酸从头合成受到抑制。于是探究了NO在驱动核苷酸代谢重编程中的作用。研究通过两种方法扰动巨噬细胞中NO水平：一是用Nos2基因敲除（Nos2−/−）的BMDMs限制内源性NO生成，二是用NO供体处理Nos2−/− BMDMs以增加NO水平。通过γ-15N-谷氨酰胺示踪实验评估核苷酸从头合成与补救合成活性，三磷酸腺苷（ATP）M+2标记和三磷酸鸟苷（GTP）M+3标记的丢失证明了刺激引起的嘌呤从头合成的阻断是由NO产生驱动的。此外，M+1标记的GTP比例在细胞内NO水平较高的条件下显著增加，说明NO驱动嘌呤代谢从从头合成途径向补救途径的转变。关于嘧啶的从头合成，研究发现NO虽然不影响三磷酸尿苷（UTP）的从头合成（M+1标记的UTP在所有条件下保持稳定），但会抑制CTPS活性（表现为M+2标记的CTP减少）和脱氧胸苷三磷酸（dTMP）的合成。此外研究还发现，NO通过双重机制调控巨噬细胞嘌呤代谢：一方面通过非依赖性转录上调促进核苷酸降解（如Nt5c3、Pnp1基因表达增加），另一方面通过抑制XOR活性阻断嘌呤碱基降解，促使代谢流向补救途径。
NO在核苷酸代谢重编程中起关键作用
鉴于巨噬细胞在受到刺激后会显著地从依赖从头合成转变为依赖补救途径来维持嘌呤核苷酸，研究人员接着探究了这种转变的功能意义。为此，采用遗传学和药理学方法干扰了次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT），这是嘌呤补救途径中的一个关键酶，在从头合成受限时对核苷酸代谢尤为重要，从而验证了巨噬细胞在刺激后依赖嘌呤补救途径的重要性。为阐明HGPRT的功能影响，研究人员对未受刺激和受刺激的Hprt1基因敲除的巨噬细胞进行RNA测序分析，并将其转录组谱与野生型对照组对比。结果表明HGPRT抑制会显著降低BMDMs中经典激活相关基因（Ptgs2、Mmp14）及抗炎因子IL-10的表达。
最后，研究人员探讨了嘌呤补救途径在巨噬细胞与病原体之间代谢竞争中的重要性。结果发现作为嘌呤营养缺陷型的胞内寄生虫弓形虫在宿主Hprt1基因缺失时复制速度更快，这可能是因为宿主的HGPRT活性会与寄生虫竞争嘌呤底物，从而最终限制了寄生虫的复制。这提示巨噬细胞核苷酸代谢的重编程不仅影响宿主自身的功能，还能使细胞重新分配可能被病原体利用的关键代谢物，从而影响宿主-病原体相互作用。
核苷酸代谢的改变影响巨噬细胞功能与病原体增殖
综上所述这项研究阐明了巨噬细胞在LPS和IFNγ刺激下核苷酸代谢的动态重编程。首次指出NO作为这些变化的关键调控因子，为核苷酸代谢如何影响宿主防御和病原体存活提供了新见解。
