Nat Immu | CD40信号通过代谢重编程刺激巨噬细胞的抗肿瘤效应
原创 vampire97 图灵基因 2023-03-09 10:11 发表于江苏
撰文：vampire97
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亮点：
本文探索CD40介导抗肿瘤效应的分子机制。作者发现CD40是通过调节脂肪酸氧化（FAO)和谷氨酰胺的代谢，来驱动巨噬细胞中的促炎效应、以及抗肿瘤极化。CD40在巨噬细胞以及其他抗原呈递细胞（APC）中高表达，APC的激活可以进一步支持基于T细胞的抗肿瘤免疫。在抗CD40激动治疗之前，预处理肿瘤相关巨噬细胞的代谢可能是一种有潜力治疗方法。
OXPHOS：氧化磷酸化
FAO：脂肪酸氧化
BMDM：骨髓来源巨噬细胞
近日由洛桑大学&路德维希癌症研究所的 Ping-Chih Ho教授在《Nature Immunology》杂志上发表了名为“CD40 signal rewires fatty acid and glutamine metabolism for stimulating macrophage anti-tumorigenic functions”的研究文章。脂多糖暴露会引发巨噬细胞促炎极化，伴有代谢重编程，其特征是有氧糖酵解升高和三羧酸循环中断。然而，与脂多糖相比，CD40信号能够通过一些尚未定义的代谢编程驱动促炎和抗肿瘤极化。
CD40 介导OXPHOS依赖性的抗肿瘤作用 激动型抗CD40单克隆抗体 - FGK45有效抑制小鼠体内黑色素瘤的生长，并伴随着抗肿瘤基因表达。作者在葡萄糖存在或耗竭的情况下，探索FGK45处理后，BMDM(骨髓来源巨噬细胞）的代线粒体功能和代谢情况（图1）。结果发现，FGK45治疗增强了BMDM中的耗氧率（OCR），且FGK45刺激以葡萄糖非依赖性方式增加了BMDM中的细胞外酸化率（ECAR）和乳酸产生。
图1. CD40 介导OXPHOS依赖性的抗肿瘤作用
FGK45在葡萄糖缺乏条件下促进促炎标志基因的表达和促炎细胞因子的产生。但是，当用鱼藤酮或寡霉素抑制氧化磷酸化（OXPHOS）时，FGK2介导的促炎标志基因表达被抑制。表明CD40信号通路介导的促炎巨噬细胞活化是由于调节了线粒体代谢导致的，而不是糖酵解。总之，这些结果表明CD40信号传导可以重新编程以前未报道的，OXPHOS依赖性途径来调节促炎效应和抗肿瘤巨噬细胞的极化。
图2.FGK45 mAb刺激的BMDM中促炎标记基因的mRNA表达
CD40信号传导促进脂肪酸氧化 接下来作者探索CD40信号传导是否是通过脂肪酸氧化（FAO）增强OXPHOS，作者用FAO抑制剂etomoxir体外处理FGK45刺激的BMDMs(骨髓来源巨噬细胞），观察到FGK45治疗增加了BMDM中FAO依赖性耗氧率（OCR），但etomoxir消除了FGK45介导的促炎标志基因诱导（图3a-f）。
图3.CD40触发的脂肪酸氧化进而影响组蛋白乙酰化
另外作者构建了Cpt1a缺陷小鼠，Cpt1a是FAO的一种限速酶，在Cpt1a缺陷的BMDM或荷瘤小鼠中，FGK45未能诱导促炎标志基因和细胞因子的表达，表明FAO控制着CD40触发的促炎激活（图3）。
CD40触发的脂肪酸氧化进而影响组蛋白乙酰化 脂肪酸在脂肪酸氧化（FAO）期间被分解生成乙酰辅酶A。作者通过C13标记追踪棕榈酸酯的代谢，发现FGK45治疗显着增加BMDM中的柠檬酸盐以及其他TCA（三羧酸循环）代谢物，柠檬酸盐作为乙酰辅酶A供体，用于蛋白质乙酰化反应和表观遗传调控。这些结果表明，脂肪酸响应CD40信号的传导，进行表观遗传重编程，引导巨噬细胞的促炎和抗肿瘤极化效应。
图4.CD40触发的脂肪酸氧化进而影响组蛋白乙酰化
功能重编程需要乳酸生成 前述结果已知CD40信号传导， 即使在葡萄糖耗竭条件下的巨噬细胞中也能调节ECAR和乳酸的产生。为了探索乳酸的产生是否对促炎极化至关重要，作者们研究了FGK45诱导的乳酸生产是否需要氧化磷酸化（OXPHOS）和脂肪酸氧化（FAO）。
结果发现，OXPHOS抑制剂，包括寡霉素和鱼藤酮，阻断FGK45诱导的乳酸产生。同时，FAO抑制剂etomoxir也逆转了FGK45诱导的ECAR和乳酸产生。并且，Cpt45a缺陷的BMDMs在FGK45处理后也未能诱导乳酸产生。这些结果表明，葡萄糖依赖性、FAO依赖性乳酸的产生对于CD5驱动的巨噬细胞极化至关重要。
图5.功能重编程需要乳酸生成
乳酸生成支持代谢重编程 为了探索乳酸脱氢酶（LDHA）介导的乳酸产生如何调节CD40驱动的代谢重编程。作者检测了FGK45处理的BMDM的代谢特征，发现缺乏LDHA的BMDM在FGK45处理后未能增加基础耗氧率（OCR）和备用呼吸能力（SRC）（图5）。此外缺乏LDHA阻止了CD40诱导的线粒体活性，表明乳酸的产生是CD40介导的OXPHOS调节所必需的。
图6.乳酸的产生通过调整NAD与NADH的平衡来支持OXPHOS
已知乳酸的产生会增加NAD与NADH的比率，从而进一步支持产生NADH的代谢过程，而LDHA缺陷巨噬细胞中NAD与NADH比值的降低，可能是导致它们在FGK45刺激下无法参与氧化磷酸化OXPHOS的原因。作者使用NR补充剂部分恢复了FGK45处理BMDM中促炎标志基因的表达（图5），表明，CD40诱导的乳酸产生通过调节NAD与NADH的比例来微调OXPHOS，该比率促进促炎巨噬细胞极化的表观遗传和功能重编程。
谷氨酰胺代谢促进乳酸生产 前述结果观察到，FGK45治疗可以在没有葡萄糖的情况下刺激乳酸的产生，这表明CD40信号介导的巨噬细胞极化需要替代营养素。而谷氨酰胺和葡萄糖一样，在肿瘤细胞中被代谢成乳酸。
作者假设谷氨酰胺转化为乳酸是通过ACLY，MDH1和ME1酶的协调作用产生丙酮酸作为代谢中间体。作者将Cas1-/-小鼠的BMDMs中的Mdh1基因进行敲除，发现FGK6治疗未能诱导Mdh1缺陷的BMDM中表达促炎标志基因，和产生细胞因子（图7）。结果表明CD40信号传导控制着涉及ACLY，MDH1和ME1的新代谢网络，该网络将谷氨酰胺分流到乳酸中以驱动巨噬细胞极化。
图7.谷氨酰胺代谢为CD40诱导的乳酸产生提供营养
CD40介导的信号通过促进脂肪酸氧化和调节谷氨酰胺代谢途径来驱动巨噬细胞中的促炎、抗肿瘤极化效应。这些研究的结果将为在癌症治疗中使用激动剂抗CD40单克隆抗体，以及开发联合疗法奠定基础。
教授介绍
洛桑大学&路德维希癌症研究所，Ping-Chih Ho博士，旨在破译肿瘤细胞如何通过肿瘤和邻近细胞之间的代谢串扰产生免疫抑制环境。何博士工作目标是揭示免疫代谢调节的新维度，并通过治疗策略利用这些探索，这些策略可以恢复有效的抗癌免疫反应，并帮助癌症患者重新编程耗尽的T细胞。
参考文献
Liu, PS., Chen, YT., Li, X. et al. CD40 signal rewires fatty acid and glutamine metabolism for stimulating macrophage anti-tumorigenic functions. Nat Immunol (2023). https://doi.org/10.1038/s41590-023-01430-3
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