Cell Stem Cell｜慢性自身免疫诱导造血干细胞产生独特的训练免疫

撰文｜风

自身免疫性疾病（autoimmune diseases，ADs）影响约6%人群且发病率在全球逐年增加，严重影响公共健康【1】。尽管ADs的发病机制仍不清楚，但髓系细胞导致的高炎症环境促进疾病的进展【2】。因此，厘清髓系细胞炎症活性增强的原理对于ADs发病机制的理解和治疗手段的开发至关重要。传统观点认为免疫记忆只存在于适应性免疫细胞。然而，近年来观点认为固有免疫也存在记忆（详见BioArt报道：Immunity观点 | 回顾固有免疫核心概念的发展；三篇Cell | 训练免疫与抗肿瘤免疫反应和病原体感染）。研究表明β-葡聚糖和卡介苗诱导髓系细胞在二次刺激时炎症反应更快和更强，表现为杀伤能力增强和细胞因子产生增多，称为训练免疫（trained immunity，TI）【3-5】。TI产生的机制涉及固有免疫细胞表观遗传重编程和代谢重编程及其两者间的相互作用【5,6】（详见BioArt报道：Immunity | 多组学方法解析训练免疫与表观遗传动态的关系；Cell Stem Cell | 全面阐述炎症记忆建立的表观遗传学分子机制）。值得注意的是，首次和二次刺激的时间差可以远远超过大部分单个髓系细胞的寿命【7-9】，提示骨髓干细胞可能涉及固有免疫细胞TI的建立。

近日，美国科罗拉多大学安舒茨医学院血液学部Eric M. Pietras研究团队在Cell Stem Cell杂志在线发表题为A distinct metabolic and epigenetic state drives trained immunity in HSC-derived macrophages from autoimmune mice的研究文章。该研究揭示慢性自身免疫中长期HSCs作为训练免疫的细胞库，其后期产生髓细胞的训练免疫并不依赖于糖代谢，为固有免疫细胞的训练免疫提供新的理解。

作者使用降植烷（pristane）构建小鼠自身免疫性系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus，SLE）研究自身免疫炎症对骨髓造血的影响。相比于对照组，pristane处理8周小鼠外周血中性粒细胞（neutrophils，Neu）和粒细胞（granulocytes，Gr）增多以及CD3⁺T细胞Sca-1（IFN刺激基因）表达明显增加；在骨髓中，pristane处理小鼠髓系细胞明显增加并伴有淋系细胞降低，表现为炎症性骨髓造血。与此同时，作者分析骨髓造血干细胞和祖细胞（hematopoietic stem and progenitor cells，HSPCs）改变，发现pristane处理小鼠骨髓粒-单细胞前体（GMP）显著增加而共同淋系祖细胞（CLPs）降低，三种谱系偏向的多能前体细胞（multipotent progenitor，MPP）同样增加，包括MPP^Ly、MPP^G/M和MPP^Mk/E，而信号淋巴细胞激活分子（signaling lymphocyte activation molecule，SLAM）富集HSC（LEK/Sca-1⁺/Flk2^-/CD48^-/CD150⁺，SLAM群）和长期HSC（HSC^LT）未改变。总之，这些数据表明pristane介导的炎症诱导髓系扩增。随后，作者使用RNA-seq分析pristane引起的骨髓单核细胞（monocytes，Mon）、GMP、MPP^G/M和SLAM差异。结果显示只有对照和pristane组Mon在PCA图中分开。过度代表分析（ORA）指出Mon和GMP富集代谢和细胞活化相关基因，包括糖酵解、氧化磷酸化、Myc和mTOR通路，而MPP^G/M和SLAM则富集IFN信号和免疫效应程序。值得注意的是，pristane引起骨髓单核细胞上调通路与人PBMC的TI以及SLE患者PBMC改变高度相似，提示TI的诱导。

为了进一步验证pristane引起骨髓改变与TI的关系，作者使用骨髓来源巨噬细胞（bone marrow derived macrophages，BMDMs）评价TI的两个特性，即病原体杀伤能力和炎性细胞因子产生。结核杆菌杀伤实验表明pristane处理小鼠来源BMDMs有更强的Ly6C表达、杀伤能力以及TNF-α和IL-6表达。与既往研究表明TI功能与增强的糖酵解相关一致，Seahorse实验证实pristane处理小鼠来源BMDMs糖酵解能力更强，尤其在免疫复合体刺激之后；且氧化磷酸化能力也在基础状态下增强。当在pristane处理小鼠过程中给予糖酵解抑制剂2-DG或mTOR抑制剂mTOR时，虽然骨髓髓系扩增没有受到影响，但其分离的BMDMs的杀伤能力以及糖酵解和氧化磷酸化能力却显著降低，表明糖酵解和mTOR在自身免疫炎症诱导TI中的重要性。这些数据指出自身免疫炎症诱导BMDMs代谢和功能偶联的TI。

考虑到髓系细胞寿命相对较短，作者推测HSPCs可能作为TI的来源。为此，团队将pristane处理4周小鼠的SLAM细胞移植给busulfan清除未成熟LSK HSPCs的小鼠再给予4周pristane之后分析外周血和淋巴结免疫细胞活化。结果显示接受pristane处理小鼠SLAM细胞移植的受鼠外周血T细胞sca1表达增加，淋巴结CD8⁺T细胞sca1和IFNγ表达增加，表明暴露于慢性自身免疫炎症的SLAM细胞能够在自身免疫再刺激时增强淋巴结T细胞活化，提示长期HSCs（long-term HSCs，HSCs^LT）具有TI潜能。为此，作者再次将pristane处理小鼠的HSCs^LT移植入清髓受鼠，待嵌合后分离BMDMs发现其杀伤能力和细胞因子产生增强，提示TI特征。然而，有意思的是，不同于前述持续自身免疫小鼠分离的BMDMs结果，接受pristane处理小鼠的嵌合受鼠分离BMDMs糖酵解和氧化磷酸化能力并未增加，甚至在免疫复合物再刺激后降低，表明HSCs^LT来源髓细胞的TI和代谢活动解偶联。随后，作者使用超高压液相色谱联合质谱方法进一步检测HSCs^LT来源BMDMs的细胞代谢。与seahorse结果一致，经训练的HSCs^LT来源BMDMs经免疫复合物刺激后糖酵解通路、磷酸戊糖途径和三羧酸循环代谢物均降低，表明中心碳代谢途径减弱。

为了进一步阐释上述代谢减弱的分子机制，作者分离pristane处理小鼠移植嵌合鼠的GMP和BMDMs行RNA-seq和ATAC-seq分析。对于差异可即性区域的ORA分析表明相比于对照组，pristane处理小鼠HSCs^LT来源GMP和BMDMs的中心碳代谢途径相关基因的启动子可即性均显著降低，包括Myc、Mtor、Hk2、Pgk1和Gapdh等，而RNA-seq结果也证实这些结果。相反，持续pristane处理小鼠分离的BMDMs的上述基因启动子可即性和基因表达均增加。总之，这些结果表明表观遗传差异介导HSCs^LT来源髓细胞TI与代谢活动的解偶联，即HSCs^LT来源髓细胞TI的效应功能增强并不依赖于代谢层面的启动。

综上所述，这项研究揭示慢性自身免疫性炎症诱导骨髓长期造血干细胞构成训练免疫的细胞库，其后期分化而来的髓细胞在再次遭遇炎症时具有更强的不依赖糖代谢的免疫效应，为自身免疫性疾病的治疗策略提供新的思考。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2024.09.010

制版人：十一

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