PNPO-PLP轴通过调节溶酶体活性影响缺氧环境中的炎症反应

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PNPO-PLP 缺氧 巨噬细胞 溶酶体活性 维生素B6 缺氧感应

氧气是地球上所有后生动物（metazoan organisms）必不可少的物质，影响着各种生理和病理条件下的生物过程。虽然已经识别出诱导急性缺氧反应的氧感应系统，包括缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factor, HIF）通路，但这些系统在长期缺氧中的作用机制仍然未被充分阐明。本文探讨了维生素B6生物激活酶，即吡哆醛5′-磷酸（pyridoxal 5′-phosphate, PLP），作为氧感应器在长期缺氧条件下调节巨噬细胞溶酶体活动的机制。

文章来源介绍

这篇论文由多个研究机构的科学家联合撰写，主要作者包括Hiroki Sekine、Haruna Takeda、Norihiko Takeda和Akihiro Kishino等。该研究发表在《Nature Metabolism》期刊上，接收时间为2022年3月31日，最终接受时间为2024年4月18日。

研究方法

研究通过以下几个主要步骤展开：

  1. 模型构建和缺氧处理：

    • 建立了系统性缺氧的小鼠模型（ISAM，inherited super-anaemic mice），观察其在长期缺氧条件下引发的炎症反应。
    • 使用骨髓来源的巨噬细胞（BMDMs）在不同氧气浓度（1%、5%和常氧条件）下进行培养，以区分急性和慢性缺氧的影响。

  2. PLP水平及溶酶体酸化检测：

    • 通过代谢组学分析测量不同条件下的细胞内PLP水平。
    • 使用荧光探针检测溶酶体酸化状态。

  3. 基因表达和蛋白质水平检测：

    • 采用RNA测序（RNA-seq）分析不同条件下巨噬细胞的全转录组变化。
    • 通过免疫印迹（Western Blot）检测关键蛋白质的表达水平。

  4. 功能验证及机制探讨：

    • 利用不同抑制剂探讨溶酶体功能与铁离子（Fe2+）可利用性的关系。
    • 通过补充吡哆醛和PLP逆转缺氧引起的炎症表型，从而进一步确认PLP在溶酶体功能中的关键作用。

研究结果

  1. 长期缺氧加剧炎症：

    • 在长时间缺氧条件下，ISAM小鼠表现出对硫酸葡聚糖钠（DSS）诱导的结肠炎更为敏感，体重明显下降，结肠组织损伤加重。
    • 巨噬细胞在长期缺氧条件下呈现更强的促炎症表型，表现为高表达的促炎基因（如IL-6，IL-1β）。

  2. PLP减少与溶酶体功能抑制：

    • 代谢组学分析显示长期缺氧条件下，巨噬细胞内PLP水平显著下降。
    • 使用荧光染色检测发现，溶酶体的酸化功能在长期缺氧条件下受到严重抑制，溶酶体膜蛋白（LAMP1）的表达减少。

  3. PLP生物合成受氧气浓度影响：

    • 吡哆醛5′-磷酸酶（PNPO）在分解氧气催化维生素B6生物激活的过程中扮演关键角色。
    • 在长期缺氧中，PNPO活性降低导致PLP不足，进而影响溶酶体的正常功能。

  4. 铁离子依赖性失调与TET2功能消失：

    • 长期缺氧引起的溶酶体功能抑制导致细胞内铁离子（Fe2+）可利用性大幅降低。
    • TET2是一种依赖Fe2+的二酮酸依赖性双加氧酶，其在长期缺氧条件下活性下降，无法有效调节炎症的溶解过程。

  5. 补充PLP改善炎症表型：

    • 补充吡哆醛能够恢复PLP水平，重新提升溶酶体酸化功能，并逆转长期缺氧引起的促炎症表型。
    • 超硫化物（Supersulfides）合成受PLP调节，补充超硫化物能够有效改善巨噬细胞的溶酶体功能。

研究结论与价值

本研究首次揭示了PNPO-PLP轴在长期缺氧中的重要作用，不同于传统的PHD-HIF氧感应机制，PNPO通过维持PLP依赖的代谢来调节溶酶体功能，进而影响炎症反应。这一发现丰富了我们对缺氧调控机制的理解，并指出了PNPO-PLP轴作为缺氧条件下的新型氧感应系统的潜力。其重要的科学价值在于为慢性缺氧相关疾病的治疗提供了新的思路和可能的干预靶点。

研究亮点

  • 新颖性：首次提出PNPO作为氧感应器在长期缺氧中调节PLP依赖的溶酶体功能。
  • 应用价值：为临床炎症治疗提供了新的潜在靶标及干预方法。
  • 全面性：多角度验证PNPO-PLP轴在慢性缺氧中的关键作用，包括细胞内代谢变化、铁离子调控及溶酶体功能。

这一研究为理解和干预慢性缺氧相关疾病提供了新的视角和策略。