死，而不僵——凋亡细胞的代谢物能作为信号分子调控周围细胞的基因表达模式

来源：BioArt

原标题：Nature亮点 ：死，而不僵——凋亡细胞的代谢物能作为信号分子调控周围细胞的基因表达模式

撰文 | 阿童木

细胞凋亡（apoptosis）是一种多基因严格控制下细胞主动实施的程序性死亡过程，在生物体生长发育和内环境稳态维持中具有关键作用。Caspase家族是一种进化上保守的半胱氨酸蛋白酶家族，能直接诱导凋亡细胞的解体，生物体将近90%的细胞变更（turnover）都离不开caspase依赖性细胞凋亡过程，因此caspase是细胞凋亡调控网络的枢纽和关键【1】。

近年来研究发现，Caspase依赖性细胞凋亡发生后能够进一步调节机体的炎症反应、细胞增殖、胚胎发生与组织再生，其在生物体生理稳态维持中的重要性不言而喻【2, 3】。然而，凋亡细胞调节上述过程的机制目前仍不清楚。

此外，凋亡细胞在一段时间内保持完整，并能释放可溶性代谢物，这些代谢物在组织内扩散，潜在地影响了邻近细胞的生理功能【4】。尽管之前研究已从凋亡细胞中鉴定到一些可溶性分泌物能通过传递“find-me”信号来吸引吞噬细胞，但目前凋亡分泌体的组成和功能仍不甚清楚【5】。

2020年3月18日，美国弗吉尼亚大学Kodi S. Ravichandran教授在Nature杂志发表了题为 Metabolites released from apoptotic cells act as tissue messengers 的研究长文，发现凋亡细胞能通过释放特定的代谢物调节周围细胞与免疫和代谢等有关的基因表达模式，且凋亡细胞代谢混合物能诱导抗炎基因的表达，并能在体内缓解生物体的炎症反应。

值得一提的是，Nature杂志在当期配发了美国St. Jude儿童研究医院Douglas R. Green教授撰写的题为 Ghostly metabolic messages from dying cells”的News and Views评论文章，对该发现做了亮点推荐，认为本研究为进一步阐释细胞凋亡如何引发代谢变化，以及代谢物的调节释放如何影响组织稳态提供了丰富的可能性【6】。

图1凋亡细胞代谢组分析流程及关键代谢物的确定

为获得凋亡细胞代谢物分泌组谱，作者诱导人类Jurkat T细胞、原代小鼠胸腺细胞或原代小鼠骨髓来源的巨噬细胞发生caspase依赖性细胞凋亡后，进行了非靶向代谢组及靶向代谢组分析（图1a）。通过比较不同类型细胞在不同的凋亡触发条件下发生凋亡的情况，发现所有凋亡细胞都会释放6种一致的代谢物，即AMP、GMP、G3P、肌酸、亚精胺和ATP（由于技术原因，本研究后续分析中并未涉及ATP）。凋亡细胞释放这些代谢物并非仅仅出于排空胞内代谢组分的目的，相反，这些凋亡细胞所共有并释放的天然代谢物具有重要的生物学功能。

经过上述分析，作者注意到，尽管在沉淀中检测到许多细胞代谢物，但只有一小部分被释放到上清液中；此外，即使在已知的代谢途径中，也只有部分代谢产物被凋亡细胞所释放。作者推测这种选择性可能是由于凋亡细胞通过启动特定的分子通道，以促进某些代谢物的渗透，继续影响凋亡细胞内分泌体的释放。

pannexin 1 （PANX1）通道是跨越细胞膜的半通道蛋白，能够在细胞凋亡过程中激活并释放ATP以吸引巨噬细胞吞食和消化凋亡细胞及其组分。为验证该假说，作者对凋亡细胞PANX1通道进行了检测，发现caspase介导的质膜PANX1通道的开放能够特异性地促进凋亡细胞中特定代谢物的释放，其中一些释放的代谢物在之前研究中并未发现与PANX1有关。

随后，作者检测了凋亡细胞的分泌物是否受到凋亡细胞内代谢活动的影响。通过追踪控制精氨酸向精胺的转化的多胺途径，作者发现诱导凋亡的细胞在死亡前增加了精胺及其前体腐胺的合成，凋亡细胞会释放精胺，但不释放腐胺，且精胺的释放依赖于PANX1。以此可以推断，某些代谢途径在细胞凋亡过程中持续保持活性，但只释放代谢途径中的特定代谢物。因此，凋亡细胞至少在两个水平上选择性调控了代谢物的产生和释放——特定通道的caspase依赖性启动 (如PANX1) 以及某些代谢通路的持续激活与代谢物的选择性释放。

接下来，作者检测了凋亡细胞释放的代谢物是否会改变附近正常细胞 (如吞噬细胞) 的基因表达模式。将凋亡细胞上清液添加到巨噬细胞培养基中后，通过RNA测序，作者发现凋亡细胞分泌物能够显著改变与细胞骨架重排、炎症反应、伤口愈合或组织修复、抗凋亡功能、代谢和吞噬细胞大小调节有关的基因表达模式。此外，凋亡细胞释放的代谢物 (其中一些分泌物的释放具有PANX1依赖性) 可以改变周围细胞感知这些代谢信号的基因调节程序，改变周围细胞的基因表达模式。

随后，作者分别检测了所有凋亡细胞均会释放的6种代谢物对巨噬细胞基因表达谱的影响，发现没有一种单一代谢物能显著改变巨噬细胞的基因表达模式。然而，6种代谢物（Memix-6）同时处理能在体外条件下显著诱导某些与抗炎巨噬细胞极化或糖基化、Il10转录和消炎、代谢调节等基因的表达，其中一些基因还被证明参与了吞噬作用。利用3种共有代谢物——亚精胺、GMP和肌酸的混合物（Memix-3）处理巨噬细胞后，也能在一定程度上导致类似的基因表达变化。鉴于代谢混合物能诱导抗炎基因的表达，作者接下来利用炎症性关节炎模型和肺移植排斥模型检测了代谢混合物是否能在体内缓解炎症反应。研究发现，诱导上述两种炎症反应后，凋亡细胞代谢混合物处理能显著改善炎症性关节炎的足肿胀等关节炎症状，并能抑制肺移植后的排斥反应。

总的来说，本研究有以下重要发现：首先，受到凋亡细胞自身代谢变化以及凋亡相关通道蛋白活性的影响，不同类型细胞发生凋亡后能够释放类似的代谢物；其次，凋亡细胞并不是等待清除的惰性死细胞，其能够通过释放代谢物调节组织内邻近细胞的基因表达模式；最后，本文发现凋亡细胞代谢物能够缓解关节炎症状和肺移植排斥反应，为以细胞凋亡为切入点治疗炎症性疾病提供了证据支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2121-3

评论链接：https://doi.org/10.1038/d41586-020-00641-0

参考文献

1. Fuchs Y, Steller H. Programmed cell death in animal development and disease. Cell, 2011, 147(4): 742-758.1

2. Rothlin C V, Carrera-Silva E A, Bosurgi L, et al. TAM receptor signaling in immune homeostasis. Annual review of immunology, 2015, 33: 355-391.

3. Ke F F S, Vanyai H K, Cowan A D, et al. Embryogenesis and adult life in the absence of intrinsic apoptosis effectors BAX, BAK, and BOK. Cell, 2018, 173(5): 1217-1230. e17.

4. Gregory C D, Pound J D. Cell death in the neighbourhood: direct microenvironmental effects of apoptosis in normal and neoplastic tissues. The Journal of pathology, 2011, 223(2): 178-195.

5. Elliott M R, Chekeni F B, Trampont P C, et al. Nucleotides released by apoptotic cells act as a find-me signal to promote phagocytic clearance. Nature, 2009, 461(7261): 282-286.

6. Douglas R. Green. Ghostly metabolic messages from dying cells. Nature, 2020, doi: 10.1038/d41586-020-00641-0.