2024年1月2日，清華大學藥學院陳立功課題組及生命學院劉萬里課題組合作以“MCT1介導的丙酮酸代謝通過H3K27乙酰化調控抗體類別轉換”（MCT1-governed pyruvate metabolism is essential for antibody class-switch recombination through H3K27 acetylation）為題在《自然通訊》（Nature Communications）雜志在線發(fā)表研究論文。
該研究報道了單羧酸轉運蛋白MCT1通過丙酮酸代謝調控B淋巴細胞（B細胞）免疫活化，免疫分化和IgG型抗體的產生；發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者的MCT1表達水平明顯上調，且其表達缺陷或特異性抑制可以有效緩解小鼠系統(tǒng)性紅斑狼瘡的癥狀，揭示MCT1可能成為治療自身免疫性疾病系統(tǒng)性紅斑狼瘡的潛在靶點。
研究背景
生物體持續(xù)受到外界環(huán)境的刺激，為了應對這些刺激而產生的免疫反應需要消耗機體大量的能量。生發(fā)中心（Germinal Center，GC）是一個在周圍淋巴器官中形成的動態(tài)結構，它為B細胞的高頻突變和抗體類別轉換提供了一個獨特的微環(huán)境。生發(fā)中心的正常形成對于高質量IgG型抗體的產生至關重要。B細胞在受到免疫刺激激活后，會經歷一個廣泛的代謝重塑過程。乳酸既是糖酵解的產物，又可以作為能源為細胞提供能量，而在大部分細胞中乳酸主要是通過MCT1進行運輸。本課題以乳酸轉運蛋白MCT1為主要研究對象，從代謝角度深入解析代謝在抗體產生過程中的作用和潛在機制，為疫苗研制和自身免疫疾病的治療提供新的方法和策略。
研究結果
為了探索MCT1轉運蛋白在B細胞中的功能，本研究通過CRISPR-Cas9技術構建了B細胞中特異性敲除MCT1小鼠，系統(tǒng)性研究了MCT1在B細胞中的作用和潛在機制。研究發(fā)現(xiàn)在抗原免疫刺激條件下，MCT1缺失小鼠血清中的抗原特異性的IgG1抗體含量顯著下降。進一步分析發(fā)現(xiàn)，抗體產生受阻主要是由于生發(fā)中心B細胞抗體類別轉換（Class switch recombination, CSR）嚴重受損導致（圖1）。
圖1 MCT1轉運蛋白缺失抑制B細胞CSR
為了研究乳酸和丙酮酸在MCT1缺陷B細胞中的去向，本研究采用了葡萄糖同位素示蹤（U-13C6葡萄糖）來研究進行CSR的B細胞中的葡萄糖代謝動態(tài)。示蹤實驗表明，MCT1缺失的B細胞發(fā)生代謝重塑，糖酵解代謝下降，氧化磷酸化代謝顯著上調（圖2）。
圖2 MCT1缺失的B細胞發(fā)生代謝重塑
另一方面，通過RNA-seq分析發(fā)現(xiàn)，調控B細胞抗體類別轉換的重要蛋白，激活誘導胞嘧啶脫氨酶（Activation-induced cytidine deaminase, AID）的表達顯著下調，同時本研究發(fā)現(xiàn)脂溶性的甲基丙酮酸可以有效恢復MCT1缺失B細胞中AID的表達，上調表達IgG1-BCR B細胞的比例。通過ATAC-seq和13C3丙酮酸對組蛋白乙酰化位點標記的定量蛋白組學分析發(fā)現(xiàn)，丙酮酸可以調控組蛋白H3K27乙酰化修飾。同時結合B細胞的Chip-seq分析發(fā)現(xiàn)，H3K27乙酰化修飾可以直接調控AID的表達。
本研究也探索了此發(fā)現(xiàn)的臨床意義。系統(tǒng)性紅斑狼瘡（SLE）是一種自身免疫性疾病，其特征是自身耐受性缺失，導致過度活化的B細胞異常擴增。本研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者的MCT1表達水平明顯上調。也在bm12誘導系統(tǒng)性紅斑狼瘡小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)敲除MCT1可以有效緩解SLE小鼠的癥狀，降低抗dsDNA抗體的產生以及IgG抗體在腎小球的聚集（圖 3）。
圖3 MCT1轉運蛋白的缺失降低了SLE疾病模型中自身抗體的產生
研究意義
本研究發(fā)現(xiàn)MCT1缺失引起B(yǎng)細胞發(fā)生代謝重塑，消耗丙酮酸進行氧化磷酸化代謝，導致組蛋白H3K27乙酰化修飾降低，進而抑制AID蛋白的表達，最終造成B細胞抗體類別轉換受損，減少抗體的分泌（圖4）。在本研究中，甲基丙酮酸在體外實驗中可以有效恢復MCT1缺失B細胞中的抗體類別轉換過程，這為未來增強疫苗效果提供了新的研究思路，比如丙酮酸是否可以作為佐劑的有效成分，值得我們進一步思考和探索。更加令人感興趣的是，MCT1轉運蛋白抑制劑也被證明可以緩解系統(tǒng)性紅斑狼瘡小鼠炎癥反應的癥狀，因此MCT1轉運蛋白在B細胞中的功能研究也為系統(tǒng)性紅斑狼瘡治療提供了新的治療策略。
圖4 MCT1轉運蛋白影響CSR的機制示意圖
清華大學藥學院陳立功研究員和清華大學生命學院劉萬里教授為本文通訊作者，清華大學藥學院已畢業(yè)博士生池文娜、生命學院博士后康娜、藥學院2021級博士生盛琳琳以及生命學院已畢業(yè)碩士生劉思辰為該論文共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金委重大研究計劃、國家科技部重點研發(fā)計劃、清華大學春風基金和賽德特生物制藥有限公司合作基金等提供的經費支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44540-0
