清华大学药学院陈立功课题组与生命学院刘万里课题组合作发文揭示MCT1转运蛋白在IgG抗体类别转换中的功能
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阅读： 2024/1/24 13:41:44
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2024年1月2日，清华大学药学院陈立功课题组及生命学院刘万里课题组合作以“MCT1介导的丙酮酸代谢通过H3K27乙酰化调控抗体类别转换”（MCT1-governed pyruvate metabolism is essential for antibody class-switch recombination through H3K27 acetylation）为题在《自然通讯》（Nature Communications）杂志在线发表研究论文，该研究报道了单羧酸转运蛋白MCT1通过丙酮酸代谢调控B淋巴细胞（B细胞）免疫活化，免疫分化和IgG型抗体的产生；发现系统性红斑狼疮患者的MCT1表达水平明显上调，且其表达缺陷或特异性抑制可以有效缓解小鼠系统性红斑狼疮的症状，揭示MCT1可能成为治疗自身免疫性疾病系统性红斑狼疮的潜在靶点。
研究背景
生物体持续受到外界环境的刺激，为了应对这些刺激而产生的免疫反应需要消耗机体大量的能量。生发中心（Germinal Center，GC）是一个在周围淋巴器官中形成的动态结构，它为B细胞的高频突变和抗体类别转换提供了一个独特的微环境。生发中心的正常形成对于高质量IgG型抗体的产生至关重要。B细胞在受到免疫刺激激活后，会经历一个广泛的代谢重塑过程。乳酸既是糖酵解的产物，又可以作为能源为细胞提供能量，而在大部分细胞中乳酸主要是通过MCT1进行运输。本课题以乳酸转运蛋白MCT1为主要研究对象，从代谢角度深入解析代谢在抗体产生过程中的作用和潜在机制，为疫苗研制和自身免疫疾病的治疗提供新的方法和策略。
研究结果
为了探索MCT1转运蛋白在B细胞中的功能，本研究通过CRISPR-Cas9技术构建了B细胞中特异性敲除MCT1小鼠，系统性研究了MCT1在B细胞中的作用和潜在机制。研究发现在抗原免疫刺激条件下，MCT1缺失小鼠血清中的抗原特异性的IgG1抗体含量显著下降。进一步分析发现，抗体产生受阻主要是由于生发中心B细胞抗体类别转换（Class switch recombination, CSR）严重受损导致（图1）。
图1 MCT1转运蛋白缺失抑制B细胞CSR
为了研究乳酸和丙酮酸在MCT1缺陷B细胞中的去向，本研究采用了葡萄糖同位素示踪（U-13C6葡萄糖）来研究进行CSR的B细胞中的葡萄糖代谢动态。示踪实验表明，MCT1缺失的B细胞发生代谢重塑，糖酵解代谢下降，氧化磷酸化代谢显著上调（图2）。
图2 MCT1缺失的B细胞发生代谢重塑
另一方面，通过RNA-seq分析发现，调控B细胞抗体类别转换的重要蛋白，激活诱导胞嘧啶脱氨酶（Activation-induced cytidine deaminase, AID）的表达显著下调，同时本研究发现脂溶性的甲基丙酮酸可以有效恢复MCT1缺失B细胞中AID的表达，上调表达IgG1-BCR B细胞的比例。通过ATAC-seq和13C3丙酮酸对组蛋白乙酰化位点标记的定量蛋白组学分析发现，丙酮酸可以调控组蛋白H3K27乙酰化修饰。同时结合B细胞的Chip-seq分析发现，H3K27乙酰化修饰可以直接调控AID的表达。
本研究也探索了此发现的临床意义。系统性红斑狼疮（SLE）是一种自身免疫性疾病，其特征是自身耐受性缺失，导致过度活化的B细胞异常扩增。本研究发现系统性红斑狼疮患者的MCT1表达水平明显上调。也在bm12诱导系统性红斑狼疮小鼠模型中，发现敲除MCT1可以有效缓解SLE小鼠的症状，降低抗dsDNA抗体的产生以及IgG抗体在肾小球的聚集（图 3）。
图3 MCT1转运蛋白的缺失降低了SLE疾病模型中自身抗体的产生
研究意义
本研究发现MCT1缺失引起B细胞发生代谢重塑，消耗丙酮酸进行氧化磷酸化代谢，导致组蛋白H3K27乙酰化修饰降低，进而抑制AID蛋白的表达，最终造成B细胞抗体类别转换受损，减少抗体的分泌（图4）。在本研究中，甲基丙酮酸在体外实验中可以有效恢复MCT1缺失B细胞中的抗体类别转换过程，这为未来增强疫苗效果提供了新的研究思路，比如丙酮酸是否可以作为佐剂的有效成分，值得我们进一步思考和探索。更加令人感兴趣的是，MCT1转运蛋白抑制剂也被证明可以缓解系统性红斑狼疮小鼠炎症反应的症状，因此MCT1转运蛋白在B细胞中的功能研究也为系统性红斑狼疮治疗提供了新的治疗策略。
图4 MCT1转运蛋白影响CSR的机制示意图
清华大学药学院陈立功研究员和清华大学生命学院刘万里教授为本文通讯作者，清华大学药学院已毕业博士生池文娜、生命学院博士后康娜、药学院2021级博士生盛琳琳以及生命学院已毕业硕士生刘思辰为该论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金委重大研究计划、国家科技部重点研发计划、清华大学春风基金和赛德特生物制药有限公司合作基金等提供的经费支持。
科学家小档案
陈立功 清华大学药学院
陈立功博士，清华大学药学院副院长、研究员、博士生导师。本科毕业于南开大学化学系，分别在美国加州大学伯克利分校和旧金山分校获得博士学位和进行博士后训练。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、免疫和神经系统中的代谢调控和致病机理, 为相关疾病治疗提供了潜在的药物靶点和新的治疗策略。入职清华以来，多项研究成果以通讯或共同通讯作者发表在Immunity、Gut、Hepatology、Nat Commun和Cell Reports等知名期刊上，多次被Science、Sci Am、F1000、PLoS Biol和新华社等作为亮点报道。曾获得多个奖项包括国家“万人计划”中青年科技创新领军人才，海外高层次青年人才支持计划，药明康德生命化学奖，清华大学优秀教学奖等。
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来源：清华大学药学院
转自：“创新清华”微信公众号
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