胞内感染和免疫系统暗示脂肪细胞重建从而获得免疫功能

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2022年第十五期（总第99期）专栏文章，由中国科学院动物研究所助理研究员 王喜凤，就Cell Metabolism中的论文发表述评。

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脂肪组织（Adipose tissue, AT）是具有多重功能的器官，主要负责维持全身能量的平衡，除了经典的储能功能外，AT也是免疫代谢的枢纽。AT与淋巴组织紧密连接，很多与淋巴结紧密相连的脂肪结构由淋巴样细胞簇组成，被称为结间脂肪（Perinodal AT, PAT）。与白色脂肪和棕色脂肪的储能功能相比，结间脂肪在免疫功能上表现出很多独特的特点。然而，PAT在应对细菌感染免疫应答过程中所起的作用尚不清楚。

针对这一问题，来自德国马克斯·普朗克免疫生物学和表观遗传学研究所的科研人员选用一种胞内致病菌----李斯特菌（Listeria monocytogenes, Lm）作为病原体感染小鼠PAT组织，进行一系列详细分析，探讨了PAT组织在细菌感染时发生免疫反应的机制。研究人员使用致病菌感染小鼠，发现Lm感染小鼠的PAT组织，并且从感染后的第二天开始，PAT能够迅速清除Lm。为了进一步探索脂肪细胞对细菌感染的反应机制，他们利用RNA测序技术（RNA-seq）检测脂肪细胞在Lm感染后基因表达的变化。结果发现，感染后的细胞内参与脂肪代谢相关基因的表达下降，而与免疫功能相关的基因和细胞因子受体基因上调。这表明在感染期间，脂肪细胞的功能发生了明显的改变，从脂类代谢向宿主防御转变。

那么，脂肪细胞的功能是如何发生转变的呢？基于上述RNA-seq的结果，研究人员发现一个重要的细胞因子---IFN-γ的表达量发生了明显上调。结合单细胞测序技术，发现IFN-γ并不是由脂肪细胞表达的，而是由NK细胞和iNKT细胞产生的。也就是说，受到感染后，PAT附近的NK细胞和iNKT细胞被招募到PAT，然后表达IFN-γ，进而激活被感染的脂肪细胞，使被感染的脂肪细胞产生宿主防御非常重要的抗菌基因（图1）。

▲图1 来自NK/iNKT细胞的IFN-γ诱导感染后的脂肪细胞表达iNOS

（A）scRNA-seq样品制备示意图;（B-E）SVF的聚类UMAP彩色处理图（B），（C）Ptprc表达（D）根据细胞类型注释单细胞聚类,（E）Ifng表达；（F和G）Ifng⁺细胞UMAP聚类点；（H）Ifng、Gzmb、Klrbc和Cd3d表达图；（I-L）感染前24 h，野生小鼠注射纯化小鼠的IgG2a和40 μg a-NK1.1, 40 μg a-CD1d, 和35 μL a-Asialo-GM1抗体混合物，以及感染后2天进行分析；（I和J）流式定量分析感染后每毫克PAT组织中（I）CD3^-CD338⁺NK1.1⁺ NK细胞（左）或者Cd1d-tetramer⁺CD3⁺NK1.1⁺ iNKT细胞（右）和（J）IFNγ⁺ NK细胞（左）IFNγ⁺ NKT细胞（右）；（K）qRT-PCR定量分析感染Lm后脂肪细胞中NOS2 mRNA表达量，用Hprt表达量校准；（L）感染Lm后每毫克脂肪细胞、SVF和淋巴结中CFUs的数量。

接下来的问题是，被感染的脂肪细胞产生的抗菌基因是什么？同样基于RNA-seq和单细胞测序的结果发现，感染Lm后，当有IFN-γ存在时，脂肪细胞内Nos2基因的表达量增加。同时实验也证实，脂肪细胞3T3-L1感染Lm后，IFN-γ能够诱导Nos2的表达（Fig. 3K）。此外，之前有研究表明，IFN-γ成功诱导Nos2表达，需要通过细胞表面或胞内模式识别受体（PPR）对细菌的产物进行识别。脂肪细胞是否也存在一个模式识别受体参与到这一过程中呢？研究人员分析发现，Lm感染脂肪细胞后，脂肪细胞内的一个新型模式识别受体Nod1的表达量也随之增加。同时，他们进一步使用NOD1特异的激活剂和拮抗剂进行实验，在未感染Lm的脂肪细胞中，只要存在NOD1的激活剂和IFN-γ同样能够诱导Nos2表达；反之，感染了Lm的脂肪细胞，虽然有IFN-γ，但是如果抑制了NOD1，脂肪细胞却不能表达Nos2。总结以上结果可知，脂肪细胞感染Lm后，细胞内的模式识别受体NOD1和来自NK细胞及iNKT细胞的IFN-γ一起诱导了抗菌基因Nos2的表达。

已有研究表明，Nos2编码的iNOS，是一个催化精氨酸产生NO的酶。由iNOS催化产生的NO可以通过膜进行扩散，具有杀菌功能。因此，最后研究人员通过实验证实了受到Lm感染的PAT脂肪细胞，在NOD1和IFN-γ的共同作用下诱导脂肪细胞内Nos2的表达，进而引起胞外精氨酸内流。由Nos2编码的iNOS催化胞内的精氨酸产生NO，NO进一步发挥作用清除Lm（图2）。

▲图2 被感染的脂肪细胞参与精氨酸琥珀酸分流以支持NO的产生。

3T3-L1细胞（A,D,E,和G-K）和来自野生型小鼠或者iNOS^-/-小鼠的腹股沟前体脂肪细胞（B,C和F）培养7天后会分化为成熟的脂肪细胞。成熟的3T3-L1脂肪细胞在Lm感染前用50 μM ML130处理24小时（G和H）。第七天，在IFN-γ存在的情况下，以MOI为50的Lm感染脂肪细胞。

（A和B）Griess反应分析亚硝酸盐含量；（C）CFUs按d.p.i.计数；（D和E）虚线表示注射iNOS特异的抑制剂---1400W；（D）海马细胞外通量分析仪检测耗氧率（OCR，右）和细胞外酸化率（ECAR，左）；（E和F）OCR/ECAR比值总结;（G）CFUs按3 d.p.i.计数；（H）使用海马细胞外通量分析仪1 d.p.i.检测ECAR的基线；（I）三重四联色谱-质谱(LC-MS)分别追踪¹³C-glucose（黄色）、¹³C-glutamine（橙色）、¹³C-palmitate（浅橙色）和¹³C-arginine（绿色）；（J）在完全培养基（CM）或无精氨酸培养基中，用Griess反应定量上清液中的亚硝酸盐水平；（K）使用海马生物分析仪定量OCR。

综上所述，本研究对PAT组织在细菌感染时发生免疫反应的机制进行分析（如下图所示）。首先，PAT受到细菌感染时，招募附近的NK细胞和iNKT细胞到达感染部位，NK细胞和iNKT细胞产生细胞因子IFN-γ。同时，感染至PAT的细菌被胞内特异模式识别受体NOD1识别，导致NOD1表达量增高。随后IFN-γ和NOD1共同作用诱导脂肪细胞内Nos2表达增高。Nos2编码的iNOS促使胞外精氨酸进入细胞，进而催化精氨酸产生NO。最后，NO通过膜进行扩散，清除Lm。在这一过程中，PAT的功能发生了转变，由一个储能功能变成了一个免疫防御功能。以上工作发表在Cell Press旗下Cell Metabolism上。

论文摘要

脂肪组织对维持全身代谢的稳态起着非常关键的作用，但是有关它在细菌感染方面发挥的功能尚不清楚。皮下细菌感染后，引流淋巴区的脂肪细胞启动了一个提示干扰素γ（IFN-γ）激活的转录反应，同时这部分脂肪细胞的功能从脂类代谢功能向免疫功能转变。在感染时，位于结间脂肪的自然杀伤细胞（NK）和I型自然杀伤T细胞（iNKT）诱导产生IFN-γ。在脂肪细胞中，IFN-γ通过核结合寡聚化域1（NOD1）感知细胞内的活细菌，从而诱导脂肪细胞中I型/诱导型一氧化氮合酶（NOS2/iNOS）的表达。iNOS的表达与代谢重组一起诱导胞外L-精氨酸通过精氨酸琥珀酸分流和尿素循环转移，产生一氧化氮（NO），进而直接介导细菌的清除。在体内，脂肪细胞控制感染依赖脂肪细胞对内在IFN-γ的感知和iNOS的表达。因此，在受到感染时，脂肪细胞被固有淋巴细胞许可而获得了抗菌的功能。

Adipose tissue (AT) plays a central role in systemic metabolic homeostasis, but its function during bacterial infection remains unclear. Following subcutaneous bacterial infection, adipocytes surrounding draining lymph nodes initiated a transcriptional response indicative of stimulation with IFN-g and a shift away from lipid metabolism toward an immunologic function. Natural killer (NK) and invariant NK T (iNKT) cells were identified as sources of infection-induced IFN-g in perinodal AT (PAT). IFN-g induced Nos2 expression in adipocytes through a process dependent on nuclear-binding oligomerization domain 1 (NOD1) sensing of live intracellular bacteria. iNOS expression was coupled to metabolic rewiring, inducing increased diversion of extracellular L-arginine through the arginosuccinate shunt and urea cycle to produce nitric oxide (NO), directly mediating bacterial clearance. In vivo, control of infection in adipocytes was dependent on adipocyte-intrinsic sensing of IFN-g and expression of iNOS. Thus, adipocytes are licensed by innate lymphocytes to acquire anti-bacterial functions during infection.

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述评人简介

王喜凤

中国科学院动物研究所

助理研究员

[email protected]

王喜凤，现任中国科学院动物研究所动物生态与保护生物学重点实验室助理研究员，主要从事爬行动物免疫和性别决定两方面工作。当前研究方向：（1）爬行动物比较免疫学研究；（2）爬行动物温度依赖性别决定的生物学机制。已在Journal of Immunology、Developmental and Comparative Immunology和Zoological Research等期刊上发表学术论文10余篇。

Dr. Wang Xifeng, as an assistant professor, worked in key laboratory of animal ecology and conservation biology of institute of zoology, Chinese academy of sciences since 2018. She is interested in comparative immunology and sex determination of reptile. Her recent study aims to: (1) comparative immunology of reptiles, (2) the molecular mechanisms of tempertature sex determination in reptiles. She has authored more than 10 research papers in scholarly journals, such as Journal of Immunology, Developmental and Comparative Immunolog and Zoological Research etc..

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