細胞因子與氨基酸代謝關系的研究進展①

胡秀紅 任文波 黃 晶 （吉林大學第一醫院檢驗科，長春 130021）

近年隨著免疫細胞代謝研究的推進，人們對免疫與代謝關系的認知也越來越深入。免疫細胞的氨基酸代謝受多種因素（如細胞因子、抗原、能量供應等）調控，而部分氨基酸代謝也被發現是調節機體免疫功能的關鍵途徑。細胞因子在感染、炎癥等生理病理過程中的作用十分重要，但其與細胞氨基酸代謝的聯系尚不明確，本文將圍繞細胞因子與氨基酸代謝關系的研究進展進行綜述。

1 炎癥過程中細胞因子與氨基酸代謝聯系緊密

蛋白質是構成細胞生命的三大基本營養物質之一，行使多種生物學功能。為滿足生存需求，在細胞、組織及生物體存續期間，蛋白質感知并響應外界刺激，而其合成原料氨基酸的物質代謝也隨之受到調控。細胞因子是由淋巴細胞、單核/巨噬細胞、白細胞和樹突狀細胞等免疫細胞及內皮細胞等組織細胞分泌的小分子多肽，在機體免疫系統中扮演重要角色［1］。依據參與炎癥反應的細胞因子功能不同，大致可分為促炎細胞因子（如IL-1、IL-6、IFN-γ、TNF-α 等）和抗炎細胞因子（如IL-4、IL-10、TGF-β等）兩類。炎癥時機體新陳代謝加快，需消耗大量能量及游離氨基酸以合成相關蛋白質，如急性時相反應蛋白、細胞因子等。炎癥細胞因子釋放是腸道慢性非特異性炎癥疾病發病機制中的關鍵事件，臨床研究發現與健康對照人群相比，潰瘍性結腸炎患者血清氨基酸譜存在明顯差異，血清谷氨酸、谷氨酰胺、蛋氨酸、色氨酸和組氨酸含量降低，而天冬酰胺和異亮氨酸水平升高［2］。右旋糖酐硫酸鈉（DSS）誘導的小鼠腸炎模型中發現，氨基酸水平亦發生改變，與對照小鼠相比，DSS 治療組小鼠血清中精氨酸、賴氨酸、鳥氨酸、脯氨酸及瓜氨酸濃度升高［3］；XIE 等［4］發現炎癥細胞因子（IL-1β、IFN-γ 和TNF-α，尤其是TNF-α）治療會引起胰島β 細胞功能障礙，進一步代謝組學分析發現，TNF-α 治療組胰島β 細胞內異檸檬酸及胞嘧啶水平降低，而同型半胱氨酸、天冬氨酸、N-乙酰神經氨酸、硫酸胍丁胺及三羧酸循環（又稱Krebs 循環，機體物質代謝與能量代謝的關鍵路徑）中重要代謝產物蘋果酸含量增加。此外，研究還發現TNF-α治療的小鼠胰島β 細胞亮氨酸水平降低，并能顯著抑制葡萄糖誘導的胰島素分泌。因此，推測氨基酸代謝和Krebs 循環代謝改變可能是TNF-α誘導的小鼠胰島β細胞功能紊亂的重要機制。提示炎癥中細胞因子與機體氨基酸代謝密切相關。

2 細胞因子調節細胞氨基酸代謝

細胞因子是固有免疫與適應性免疫的重要效應分子，不僅在炎癥疾病發生發展中具有重要作用，且大量研究表明炎癥細胞因子還能通過不同途徑調節細胞內游離氨基酸水平，促使細胞表現特定表型和功能［5-7］。

2.1 細胞因子調節細胞對氨基酸的轉運 根據機體能否自身合成，氨基酸可分為兩類：能在細胞內通過物質間轉化而來的非必需氨基酸和依賴于外源攝入補充的必需氨基酸。人體攝入的蛋白質經胃腸消化后可形成多肽和游離氨基酸，氨基酸吸收需經位于小腸上皮細胞頂膜或基底膜外側的轉運蛋白介導的跨膜轉運完成，隨后氨基酸經血液運輸被組織中各細胞的轉運蛋白攝取，參與細胞內物質及能量代謝［8］。多項研究報道細胞因子通過影響氨基酸轉運調控細胞表型和功能。LOAYZA-PUCH等［9］研究癌癥患者氨基酸需求變化時發現，TGF-β1通過下調乳腺上皮細胞亮氨酸轉運蛋白亞單位SLC3A2 表達，減少細胞對亮氨酸的攝取并抑制細胞增殖，而這種限制亮氨酸的特性可能與癌癥侵襲相關。CENDAN 等［10］發現 IL-1 和 TNF 可以時間和劑量依賴性方式增加肺動脈內皮細胞中精氨酸跨膜轉運，以支持敗血癥期間精氨酸依賴性生物合成。此外，還有研究報道IL-7 刺激可增加CD8+T 細胞多種氨基酸轉運蛋白Slc1a4、Slc1a5 和Slc7a5 轉錄，促進細胞增殖［11］。以上研究證實細胞因子可通過調節氨基酸轉運蛋白調控細胞內氨基酸濃度，發揮生理病理作用。

2.2 細胞因子調節細胞對氨基酸的感知 細胞內氨基酸濃度是動態變化的，機體通過飲食攝入氨基酸，滿足細胞高蛋白質需求，而細胞內無用或受損的蛋白質及細胞器則通過自噬等方式在溶酶體中被降解并釋放游離氨基酸至細胞質，實現游離氨基酸在細胞內的循環利用［12］。哺乳動物細胞主要通過雷帕霉素復合物1（mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC1）和一般性調控阻遏蛋白激酶2（general control nonderepressible 2，GCN2）信號傳導途徑感知并調控氨基酸，維持細胞內游離氨基酸適當濃度［12］。mTORC1 激活時可促進機體合成代謝（如消耗游離氨基酸合成蛋白質等大分子物質）并抑制自噬等分解過程［13］；GCN2 能感知并調節氨基酸缺乏，促進細胞自噬［12］。炎癥細胞因子不僅能調節氨基酸轉運，還能影響氨基酸的感知途徑。SU等［7］報道，人巨噬細胞中，IFN-γ 通過誘導色氨酸耗竭抑制mTORC1 活性，增強巨噬細胞活化。也有研究發現IFN-γ 引起的人腎上皮細胞中色氨酸耗竭能激活GCN2 信號通路，導致細胞自噬通量增加，抑制細胞自噬能降低可溶性壞死因子受體（sTNFR Ⅰ和Ⅱ）分泌，并導致促炎遞質趨化因子IP-10、MIP-1d、單核細胞趨化蛋白MCP-2、細胞間黏附因子ICAM-1及TNF 分泌增加，而補充色氨酸或干擾GCN2 表達則能抑制 IFN-γ 誘導的自噬［14］。ALMUTAIRI 等［15］研究發現，IL-18 可獨立于mTORC1 途徑上調NK 細胞氨基酸轉運蛋白CD98/LAT1 表達，增加的亮氨酸轉運驅動細胞內代謝傳感器mTORC1 活化，進一步誘導利于NK 細胞增殖的代謝變化。以上研究證實細胞因子不僅可調節氨基酸轉運，還能影響氨基酸感知途徑。

2.3 細胞因子可調節細胞中氨基酸代謝相關酶表達和活性 氨基酸及其代謝產物具有多種生物學功能，細胞因子不僅能調節氨基酸轉運和感知，還能通過調節氨基酸代謝相關酶影響氨基酸分解代謝。精氨酸在精氨酸酶（arginase，Arg）催化作用下分解生成尿素、鳥氨酸，而在一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）作用下產生NO，還可由其他酶催化產生肌酸、多胺等生物活性物質［16］。多項研究證明，精氨酸代謝路徑在巨噬細胞分化中具有重要作用。LPS、IFN-γ 和 CSF2 可活化巨噬細胞為 M1型，巨噬細胞內精氨酸經NOS-2 途徑合成NO 并分泌 IL-1β、TNF-α 和IL-12 等促炎細胞因子［17］。IL-4、IL-10、IL-13 可活化巨噬細胞為 M2 型，經精氨酸酶途徑代謝精氨酸，產生IL-10 等抗炎細胞因子［18］。多項研究表明IL-13、IL-8、IL-4、IL-6、TNF-α 等能上調精氨酸酶活性，促進精氨酸代謝。鑒于精氨酸酶在疾病致病機制中的重要性，可將其作為心血管、腎臟、神經系統疾病和癌癥治療的潛在靶標［19］。FULTANG 等［5］發現巨噬細胞來源的 IL-1β 和 TNF-α能通過激活腫瘤細胞p38 及ERK MAPK 信號通路，上調神經母細胞瘤中Arg2 表達，促進腫瘤細胞增殖，發現了腫瘤細胞和浸潤性髓樣細胞的免疫代謝調節回路，指出髓樣細胞和腫瘤細胞間交互作用產生的代謝調節回路能促進神經母細胞瘤進展。

吲哚胺2，3-雙加氧酶（indoleamine 2，3-dioxy?genase，IDO）是色氨酸分解途徑的限速酶，IDO 驅動的色氨酸耗竭能調節巨噬細胞和樹突狀細胞（den?dritic cells，DCs）炎癥細胞因子產生、誘導幼稚 T 細胞增殖停滯以及促進FoxP3+Treg 成熟和激活［20］。IDO 受多種細胞因子調節，研究發現 IFN-γ、TNF-α、IL-1、IL-2、TGF-β、IL-10等均可誘導IDO1高表達，而IL-4 和 IL-13 則能抑制 IDO1 表達。CHAUDHARY等［20］發現，抗體驅動的腎小球炎癥初期，腎臟足細胞中IFN-γ 信號誘導的IDO1 酶活性增強和下游GCN2 激活，促進細胞自噬。IDO1-GCN2 信號通路激活能抑制炎癥細胞因子CCL-2、TNF-α、IL-6產生，減少損傷處巨噬細胞浸潤與活化，并通過誘導自噬限制炎癥性腎臟病理變化。IDO 除具有酶催化作用外，還能發揮信號傳導功能。MONDANELLI 等［21］發現TGF-β 能上調DCs 中酪氨酸蛋白磷酸酶，同時引起IDO1中免疫受體酪氨酸抑制基序（ITIM）磷酸化，激活DCs 免疫調節信號通路，產生內源性TGF-β 并進一步誘導IDO1表達，從而維持持久的細胞免疫抑制作用。YANAGAWA 等［22］報道，單獨 IL-10 治療不影響DCs中IDO表達，但能增強IFN-γ誘導的IDO表達。IL-10 與IFN-γ 具有協同作用，能通過升高DCs中iNOS與IDO 水平、減少細胞表面主要組織相容性復合體Ⅱ類分子及降低TNF-α、IL-12 p40表達，抑制DCs免疫刺激功能。

以上研究從不同方面證實了細胞因子與細胞氨基酸代謝路徑代謝酶存在關聯，細胞因子能通過調節免疫細胞中氨基酸代謝相關酶表達和活性發揮免疫調節功能。

3 氨基酸代謝調控炎癥細胞因子生成

免疫代謝相關研究發現，抗原刺激免疫細胞從靜止狀態轉為激活狀態時，細胞內代謝轉變，且不同細胞亞群代謝程序與免疫功能明顯相關。此外，代謝途徑變化亦可影響免疫細胞命運、調節免疫功能［23］。細胞因子通過不同路徑調控細胞氨基酸水平，同時，氨基酸及其代謝物也能調控炎癥細胞因子水平，在細胞局部環境中發揮免疫調節效應。

3.1 氨基酸直接調節細胞因子分泌 實驗發現精氨酸治療小鼠結腸炎時，能降低促炎細胞因子IL-1α、IL-1β、IL-6 水平，改善結腸通透性和中性粒細胞浸潤，微陣列基因組分析表明精氨酸可恢復DSS 誘導的多基因表達失調。進一步研究發現，與對照組相比，精氨酸治療的 DSS 誘導的 iNOS?/?結腸炎小鼠并未改善小鼠臨床癥狀，提示補充L-精氨酸可能通過增強iNOS 活性等機制發揮治療作用［3］。最近研究報道，限制多發性硬化小鼠色氨酸攝入可緩解小鼠自身免疫性神經炎癥，其機制為通過改變小鼠腸道微生物代謝引發T細胞功能受損［24］。大鼠肌肉機械損傷時，補充富含亮氨酸等必需氨基酸能降低IL-6 表達，減輕炎癥并促進肌肉修復［25］。亮氨酸還能通過下調 NF-κB 和激活mTOR/p70S6K 信號通路，降低雞胚腸組織中LPS 引發的IL-6 轉錄并減輕炎癥反應［26］。此外，飲食補充組氨酸能抑制患有代謝綜合征的肥胖婦女體內炎癥和氧化應激，降低血清炎癥細胞因子TNF-α 和IL-6 水平，并改善胰島素抵抗［27］。谷氨酰胺是人體含量最豐富的氨基酸，作為淋巴細胞能量來源，其耗竭能抑制T 細胞增殖和細胞因子分泌，體外補充谷氨酰胺能減少淋巴細胞和上皮細胞中促炎細胞因子IL-6 和IL-8 產生，并提高抗炎因子IL-10 水平［28-29］。以上研究從不同角度證實了氨基酸與細胞因子產生與其在疾病中的作用關系密切。

3.2 氨基酸代謝產物調節細胞因子分泌 研究發現多種氨基酸代謝產物也具有免疫調節活性，在炎癥、自身免疫性疾病中的作用不容忽視，也能調節細胞因子分泌。自身免疫性腦脊髓炎小鼠模型發現，色氨酸分解代謝產物N-乙酰5-羥色胺（NAS）能直接結合并正變構調節IDO1，增加DCs 中犬尿氨酸介導的芳烴受體（AhR）激活，誘導小鼠頸淋巴結中CD4+T 細胞產生抗炎細胞因子IL-10 并減少骨髓CD4+T 細胞分泌IL-17 和IFN-γ，進而抑制小鼠神經炎癥［30］。精氨酸分解產物肌酸可作為細胞能量儲備來源，JI等［31］研究發現，巨噬細胞中肌酸攝取和積累能重編程巨噬細胞極化，其機制為通過抑制IFN-γ-JAK-STAT1轉錄因子信號，抑制精氨酸代謝酶NOS2活性，同時通過染色質重塑促進IL-4-STAT6 途徑激活Arg1 表達。提示氨基酸代謝產物通過調節細胞表型發揮免疫調節作用，影響炎癥細胞因子分泌。

4 細胞因子網絡與氨基酸代謝的相互作用

機體免疫應答時，免疫細胞受不同細胞因子組成的細胞因子網絡共同調節。細胞因子發揮免疫效應的機制研究發現，細胞因子網絡與細胞氨基酸代謝相互作用，細胞因子可通過調節細胞氨基酸代謝調控其他細胞因子分泌，并發揮生物學效應（圖1）。研究報道IFN-γ 和CSF2可促進巨噬細胞內精氨酸NOS 代謝途徑，活化巨噬細胞為M1 型并分泌IL-1β、TNF-α 和 IL-12 等促炎細胞因子［17］。IL-4、IL-10、IL-13 則能促進巨噬細胞內精氨酸經精氨酸酶途徑代謝，活化巨噬細胞為M2型并產生IL-10等抗炎細胞因子［18］。多發性骨髓瘤中，IL-32γ 通過誘導巨噬細胞產生IDO，抑制CD4+T 細胞增殖及促炎細胞因子分泌［32］。MONDANELLI等［21］研究發現，TGF-β以Arg1活性依賴的方式磷酸化DCs中的IDO1，并通過促進內源性 TGF-β 產生和 IDO1 表達維持 DCs 免疫抑制作用。此外，炎癥細胞因子IL-1 和TNF-α 能誘導骨骼肌表達組氨酸脫羧酶，催化組氨酸生成組胺，提高骨骼肌IL-1α和IL-1β 水平［33］。證實細胞因子網絡與氨基酸代謝存在相互作用，細胞因子通過調控氨基酸代謝介導免疫效應。

圖1 細胞因子與氨基酸代謝調控關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of relationship between cyto?kines and amino acid metabolism

以上研究均表明細胞因子與氨基酸代謝關系密切，一方面細胞因子通過影響氨基酸轉運、感知、代謝調控細胞氨基酸代謝，介導免疫學效應；另一方面局部氨基酸或其代謝產物又能通過調節免疫細胞活化及表型影響細胞因子表達。

5 細胞因子與氨基酸代謝在疾病中的聯系

細胞因子與氨基酸均在慢性炎癥性疾病、自身免疫病和腫瘤等多種疾病中扮演重要角色，將進一步探究兩者在氨基酸代謝性疾病及腫瘤中的聯系。

5.1 氨基酸代謝性疾病中細胞因子與氨基酸代謝的關系 苯丙酮尿癥（Phenylketonuria，PKU）是主要因苯丙氨酸羥化酶（phenylalanine hydroxylase，PAH）缺乏引起的常染色體隱性遺傳病，因苯丙氨酸及其代謝產物積累并產生神經毒性，患者呈智力低下及其他神經系統癥狀［34］。研究發現PKU 患者呈促炎和氧化應激狀態，其炎癥標志物IL-6、IL-1β、C 反應蛋白、血清淀粉樣蛋白A 及血清氧化應激標志物丙二醛水平明顯升高，提示氨基酸代謝與炎癥及氧化應激狀態存在關聯［35-36］。

賴氨酸尿蛋白不耐受癥（lysinuric protein intolerance，LPI）是由氨基酸轉運蛋白SLC7A7基因突變引起的罕見常染色體隱性遺傳病，因累及機體各系統而表現出廣泛臨床癥狀［37］。LPI 發病機制尚不清楚，目前認為單核/巨噬細胞是LPI 并發癥的關鍵，研究發現SLC7A7 在生理條件下除轉運精氨酸外，還可抑制NF-κB 信號傳導抑制炎癥，體外沉默SLC7A7 基因能誘導 IL-1β 和 TNF-α 表達，導致人巨噬細胞和氣道上皮細胞獲得炎癥表型，該研究還提出氨基酸轉運缺陷的單核細胞和上皮細胞通過自發分泌的促炎細胞因子過度刺激氣道上皮細胞產生趨化因子，致使循環單核細胞持續進入氣道，引起LPI肺部損傷及并發癥［38］。

楓糖尿?。╩aple syrup urine disease，MSUD）是由編碼支鏈α-酮酸脫氫酶復合物亞基基因突變引起支鏈氨基酸分解代謝障礙的常染色體隱性遺傳病，多數患者伴有神經系統損傷［39］。研究發現僅限制蛋白飲食的MSUD患者血漿促炎細胞因子（IL-1β、IL-6、TNF-α 和 IFN-γ）和細胞黏附分子（sICAM-1 和sVCAM-1）水平升高，且患者代謝危象發生次數與IL-1β 及 sICAM-1 呈正相關，提示炎癥在 MSUD 發病機制中可能起重要作用，MSUD 患者神經病理學可能與炎癥和氧化應激有關［40］。

以上研究提示氨基酸代謝性疾病患者氨基酸代謝障礙與炎癥和氧化應激同時存在，炎癥細胞因子在疾病發生發展和對機體損傷中十分關鍵。

5.2 腫瘤中細胞因子與氨基酸代謝的關系 腫瘤細胞能重編程胞內物質代謝，目前已在多種腫瘤中發現氨基酸代謝異常［41］。慢性炎癥與腫瘤的聯系已闡明，既然炎癥細胞因子與氨基酸在腫瘤發生發展中都很關鍵，那么兩者是否存在關聯？SIRNIO等［42］研究發現大腸癌患者血清氨基酸水平與全身性炎癥和疾病分期有關：血清組氨酸和谷氨酰胺水平降低，且谷氨酰胺水平與C 反應蛋白、IL-6 及IL-8水平呈顯著負相關，苯丙氨酸水平升高，且與IL-1、IL-6、IL-7、IL-8、IL-12 和 CXCL10 呈正相關，推測氨基酸譜變化可能由大腸癌患者全身性炎癥引起的肌肉分解導致。也有研究報道乳腺癌患者血清及組織IFN-γ 水平升高且精氨酸水平降低，細胞研究發現長期IFN-γ 刺激能導致原代奶牛乳腺上皮細胞出現精氨酸耗竭及細胞惡性轉化，而補充精氨酸能拮抗IFN-γ 誘導的細胞惡性轉化［43］。表明在腫瘤發生發展中，炎癥細胞因子與細胞氨基酸代謝亦存在相關性。

6 結語

細胞為了生存發展出一套復雜、精密而又經濟、高效的物質能量平衡機制。隨著免疫代謝研究進展，研究者目前傾向于認為細胞內不同物質系統及網絡間的串擾可能是生命進化過程中的普遍現象。其中細胞因子與氨基酸代謝的串擾不僅能影響蛋白代謝，還能調節機體免疫功能：一方面細胞因子能通過調節氨基酸轉運、感知和代謝，介導免疫效應；另一方面，氨基酸及其代謝產物變化也能調控細胞因子生成和分泌，進而調控細胞因子網絡在細胞間的信號傳遞，產生生物學效應。近年研究發現，細胞因子與細胞氨基酸代謝在多種疾病中均存在關聯，部分氨基酸代謝路徑的酶、代謝物也被發現可作為疾病治療的潛在靶點，但細胞因子與氨基酸代謝交互網絡中仍有許多分子機制尚不清楚，進一步研究不僅能為免疫代謝理論發展奠定基礎，且有助于尋找更有效的疾病治療靶點。