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Nature Communications:巨噬细胞极化的调控新机制

临床医学

2024-07-09      

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近10年来,国自然中「巨噬细胞」中标量呈现一个直线增长的趋势,在2023年达到了888个中标数目,因此,巨噬细胞一直都是国自然申请中大家重点关注的内容。

(来源:ZCOOL国家自然科学基金查询)

巨噬细胞是先天性和适应性免疫系统的重要组成部分,与其他吞噬细胞一起,它们通过释放促炎细胞因子形成最初的防线,这有助于激活先天免疫系统以及随后的T和B细胞反应。

巨噬细胞在不同的刺激或微环境下可进一步极化为不同的表型。在典型的分类中,促炎性巨噬细胞通过脂多糖(LPS)诱导获得M1表型,抗炎性巨噬细胞通过IL-4或IL-13诱导获得M2表型。

除了IL-4/IL-13诱导的M2a表型外,M2巨噬细胞亚群还可以根据其具体功能进一步细分为不同的亚型。


巨噬细胞极化的调控新机制

2023年10月12日,复旦大学周兆才、焦石、中国科学院上海高等研究院吕军鸿、同济大学林谋斌共同通讯在Nature Communications发表题为SUN1/2 controls macrophage polarization via modulating nuclear size and stiffness论文。

该研究将核包膜蛋白SUN1/2鉴定为巨噬细胞M1极化过程中细胞核的机械调节剂。作者发现,SUN1/2在炎症信号如脂多糖(LPS)的作用下,会通过调节核的大小和硬度来促进巨噬细胞向M1极化,增强炎症和抗肿瘤免疫。该研究还发现,SUN1/2通过介导LPS诱导的核重塑来调节染色质构象,促进炎症相关基因的表达。

此外,SUN1/2的缺失还能促进巨噬细胞的吞噬作用、组织浸润和促炎细胞因子的产生,从而增强小鼠的抗肿瘤免疫。

总的来说,这项研究揭示了SUN1/2在巨噬细胞极化过程中的关键机械调节作用,为炎症和免疫相关疾病的治疗提供了新的理论基础。

细胞核是胞内最大的胞器,是细胞遗传与代谢的调控中心。此外,细胞核被认为是生物信号的力学传感器。尽管不同类型的细胞中细胞核的大小和形态各不相同,但细胞核与细胞体积的比率(称为核质比率)保持稳定。

细胞周期中核膜的分解和重建已经得到了相对较好的表征。然而,在细胞功能重编程的背景下,对细胞核大小和力学的潜在变化仍知之甚少。特别是,目前尚不清楚细胞核是否在免疫细胞中进行功能重编程的主动重塑。

巨噬细胞的M1/M2极化是一个严格控制的过程,其失调与各种炎症性疾病和肿瘤进展密切相关。目前尚不清楚巨噬细胞的可塑性功能是如何适应不同环境需求的,尤其是从细胞核的生物力学调节角度来看。

为了探索细胞核的潜在形态和机械变化,并评估这些变化在极化过程中的功能重要性,作者用LPS处理来源于人类白血病单核细胞系THP-1的巨噬细胞,并用Hoechst 33342对其细胞DNA进行染色。

作者观察到,在LPS诱导的巨噬细胞M1极化过程中,细胞核发生了明显的形态(核面积和体积显著缩小)和机械性质的改变(核质变得柔软,核骨架变得松弛)。

为了解释巨噬细胞中LPS诱导的细胞核重塑,作者假设M1极化信号(如LPS)可能改变了某些核膜蛋白的水平,从而改变核的机械性质和大小。通过实验,作者发现SUN1/2蛋白在LPS诱导的巨噬细胞细胞核形态和机械重塑中作为分子介质而存在。

接下来,作者通过这一系列的实验步骤,揭示了LPS诱导巨噬细胞中SUN1/2蛋白水平降低的详细机制。

作者首先检测了SUN1/2的下调是否依赖于蛋白酶体途径。用蛋白酶体抑制剂MG132处理PEMs显著阻断LPS诱导的SUN1/2蛋白的减少,表明LPS通过蛋白降解调节SUN1/2。

LPS处理逐渐增强了SUN2的泛素化,这进一步支持了LPS通过促进SUN蛋白的泛素化和蛋白酶体降解来诱导其下调。

同时,在LPS处理的细胞中,作者未检测到SUN1/2转录的显著变化,这表明SUN1/2的下调主要发生在翻译后水平,而不是转录水平。

接下来,作者开始确定哪种E3泛素连接酶导致了SUN蛋白的降解。质谱分析和免疫沉淀分析显示βTrCP1/2是SUN1/2的潜在相互作用伙伴。βTrCP1/2的敲低和过表达实验表明,βTrCP1/2介导了SUN1/2的泛素化和降解,是SUN1/2的E3连接酶。

βTrCP1/2的共转染以剂量依赖的方式增强了SUN2的泛素化,并降低了其蛋白质水平。此外,βTrCP1的过表达显著增加了野生型SUN2的泛素化,但没有增加其SA突变体的泛素化,这表明βTrCP1/2通过其经典磷酸化依赖的方式与SUN蛋白结合。

作者进一步利用Motif Scan分析,预测CK2可能是导致SUN蛋白Ser136位点磷酸化的激酶。同时,质谱分析也显示了SUN2和CK2之间的潜在相互作用。作者推断CK2活性可能对LPS诱导的SUN1/2蛋白水平的降低很重要。

为了测试这种可能性,作者使用CK2特异性抑制剂TBB处理巨噬细胞,发现TBB可以阻断LPS诱导的SUN蛋白水平的降低,这表明CK2活性对于LPS诱导的SUN蛋白降解是必需的。

此外,体外激酶测定进一步证实,CK2可以直接磷酸化纯化的重组野生型SUN2蛋白。

这些实验数据表明,CK2激酶在LPS诱导的巨噬细胞中发挥关键作用。具体来说,CK2通过磷酸化SUN蛋白的Ser136位点,促进了SUN蛋白与βTrCP1/2的结合,进而介导了SUN蛋白的泛素化和蛋白酶体降解。这一过程最终导致了SUN蛋白水平的降低,进而影响了巨噬细胞的M1极化过程。因此,CK2-βTrCP1/2轴在调控巨噬细胞对LPS刺激的响应中起着关键作用。

由于核膜蛋白SUN1/2在巨噬细胞M1极化过程中介导LPS诱导的核重塑,作者假设SUN1/2可能在调节染色质可及性和基因转录中发挥功能作用。

作者首先进行了荧光原位杂交(FISH)分析,并检查了同源染色体的排列,结果显示,SUN1/2的缺失导致同源染色体间距离增加,这表明SUN1/2在染色质构象中具有调节作用。

为了评估SUN1/2在维持炎症相关基因染色质允许状态中的作用,作者在PEMs中进行了FAIRE(甲醛辅助分离调节元件)测定,结果发现SUN1/2表达的沉默显著增加了I16和I11b基因座的可接近性,这表明SUN1/2可能通过维持染色质构象来影响基因转录。

为了进一步证实SUN蛋白对染色质开放性和活性状态的影响,作者检测了DNA聚合酶II(Pol II)向Il6和Il1b基因转录起始位点(TSS)的募集。结果显示,Pol II和H3K4me2/3的水平在SUN1/2缺陷的细胞核中显著升高,这进一步支持了SUN1/2在维持染色质开放性和活性状态中的作用。

随后,作者全面评估了SUN1/2对染色质表观遗传学状态的影响,H3K4me2/3染色质免疫沉淀(ChIP)实验显示,在SUN1/2缺陷核中,H3K4me1和H3K4me 3的水平远高于野生型核,这表明SUN1/2可能通过影响染色质修饰来影响基因转录。

这些实验结果表明,SUN1/2的减少改变了染色质的构象,从而促进了染色质的开放性和可及性,进而影响巨噬细胞的M1极化过程。

作者进一步评估了SUN1/2介导的核重塑和转录调控在巨噬细胞功能中的重要性。

作者首先检测PEMs的吞噬作用,发现,与对照细胞(~32%)相比,PEM中SUN1/2的缺失显著增强了其吞噬能力,并促进了吞噬效率(达到约60%的水平),表明SUN1/2可能影响巨噬细胞的吞噬作用。

接下来,作者研究了SUN1/2对巨噬细胞M1或M2极化的影响。流式细胞术分析显示,在Sun1/2DKO PEMs中,M1(CD86+)细胞的比例高度增加,而M2(CD206+)细胞的百分比明显降低,这表明SUN1/2可能影响巨噬细胞的极化。

此外,作者还分析了 PEMs中标记M1或M2极化的关键基因的表达。SUN1/2的缺失显著增加了M1标记物(包括Il6、Il1b和Nos2在内)的表达,但降低了M2标记物(如Arg1和Mrc1(甘露糖受体CD206)和Retnla)的表达,这进一步支持了SUN1/2可能影响巨噬细胞的M1极化。

在小鼠模型中,SUN1/2的缺失加剧了LPS诱导的炎症损伤,同时也增强了抗肿瘤免疫力。

综上所述,这项研究揭示了SUN1/2介导的核重塑在调控巨噬细胞极化中的关键功能作用,对于炎症反应和抗肿瘤免疫都具有重要的生理意义。



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