《PLOS Genetics》：mTOR signaling regulates demand-adapted hematopoiesis and metabolic reprogramming required for an effective cellular immune response in Drosophila melanogaster larvae
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为阐明免疫细胞发育与功能背后的信号调控机制，本刊推荐一项发表于PLOS Genetics的研究。该研究聚焦于雷帕霉素机制性靶蛋白（mTOR）信号通路，利用果蝇幼虫外周血细胞模型，通过遗传学与转录组学手段，揭示了mTOR通路在免疫细胞（特别是片状细胞）分化与代谢重编程中的核心作用。研究发现，血细胞特异性过表达mTorWT可诱导类似寄生蜂感染后的免疫响应，该过程依赖于JNK和p38通路。转录组分析进一步显示，mTOR信号是启动片状细胞分化所必需的，但在成熟片状细胞中，mTOR复合物1（mTORC1）活性被抑制。此研究结果强调了mTOR是控制果蝇血细胞命运的关键调节因子，为理解免疫细胞的代谢适应性提供了新见解。
从人类到果蝇，所有生物都必须抵御感染以维持生命健康。免疫响应是一个“昂贵”的过程，它需要代谢支持来提供能量、构建细胞因子和免疫效应分子，并支持免疫细胞的增殖与分化。那么，是什么信号引导血细胞采纳特定的免疫功能，以应对感染或损伤呢？在哺乳动物中，雷帕霉素机制性靶蛋白（mechanistic Target of Rapamycin, mTOR）通路作为一个关键的进化保守通路，感知营养与能量状态，协调生长与代谢，并在免疫细胞功能中扮演重要角色。然而，在经典模式生物果蝇中，mTOR在其血细胞（hemocyte，即免疫细胞）稳态和免疫激活中的作用却知之甚少。理解这一保守通路在简单模型中的功能，有望揭示免疫细胞发育与代谢调控的普适性原理。为此，研究人员在《PLOS Genetics》上发表了他们的最新成果。
为了探究上述问题，研究者采用了多种技术方法。他们利用果蝇遗传学工具，在幼虫循环血细胞中特异性地过表达野生型mTor（mTorWT）或显性负性突变体（mTorDN），并分析了其表型。通过黑化结节形成实验和寄生蜂（Leptopilina boulardi）封杀实验评估了mTOR对免疫响应的功能影响。利用流式细胞术结合血细胞特异性荧光报告基因（eater-GFP用于浆血胞，Msn-mCherry用于片状细胞），对稳态和感染后的血细胞进行了精确计数和分类。通过RNA测序（RNA-seq）对对照组、mTorWT过表达组以及寄生蜂感染组的血细胞进行了转录组分析，以比较基因表达模式。此外，还运用了免疫印迹和免疫荧光技术，检测了mTORC1活性的关键标志物——磷酸化核糖体蛋白S6（pRpS6）的水平。
mTorWT过表达在血细胞中引起黑化结节形成并增强对寄生蜂的封杀响应
研究发现，在血细胞中过表达mTorWT会诱导幼虫后部形成黑化结节，这与寄生蜂感染后形成的黑化包裹相似。定量PCR证实了mTor mRNA水平的显著升高。重要的是，寄生蜂感染实验表明，过表达mTorWT提高了果蝇幼虫杀死寄生蜂的能力，而表达mTorDN则削弱了此能力，证明mTOR参与了对寄生蜂的封杀免疫响应。
mTorWT过表达导致类似于寄生蜂感染的血细胞激活，而抑制mTor主要影响浆血胞谱系细胞
通过流式细胞术分析血细胞数量和类型，研究人员发现mTorWT过表达在未感染幼虫中就能模拟寄生蜂感染后的血细胞激活模式：总血细胞数增加，稳态浆血胞数量减少，而激活的浆血胞和片状细胞谱系细胞（包括片状母细胞、前片状细胞和成熟片状细胞）增多。相反，抑制mTor功能（通过mTorDN或RNA干扰）则减少了总血细胞数，主要是浆血胞减少，并且未能诱导出激活的浆血胞或片状细胞。这表明mTOR是调节血细胞增殖和分化的核心。
解除TSC对mTORC1的负调控并不能完全模拟mTorWT过表达的表型
结节性硬化症复合物（Tuberous Sclerosis Complex, TSC）是mTORC1的关键负调控因子。研究人员通过RNAi同时沉默TSC的两个组分Tsc1和gig，发现这虽然增加了浆血胞样细胞（浆血胞、激活的浆血胞和片状母细胞）的数量，但并未像mTorWT过表达那样强烈诱导片状细胞的生成。这表明，仅仅激活mTORC1不足以驱动完整的片状细胞造血过程。
mTORC1和mTORC2都是血细胞激活和抗L. boulardi感染免疫响应所必需的
mTOR形成两个不同的复合物：mTORC1和mTORC2。通过分别或同时沉默mTORC1的适配蛋白Raptor和mTORC2的适配蛋白Rictor，研究发现，单独抑制任一个复合物对封杀响应影响不大，但同时抑制两者则显著削弱了针对寄生蜂的免疫响应，并减少了感染后的片状细胞数量。这表明内源性的mTORC1和mTORC2对于诱导包括片状细胞造血在内的完整细胞免疫响应都是必需的。
mTorWT和寄生蜂感染在血细胞中诱导了高度重叠的基因表达变化
转录组分析显示，mTorWT过表达和寄生蜂感染在血细胞中引起的基因表达变化高度相似。主成分分析表明，来自mTorWT过表达和感染对照组的血细胞在基因表达谱上彼此分离，但与各自的未感染对照组聚集在一起。大量基因在两种处理中被共同上调和下调，这些变化与血细胞类型的转变（浆血胞标志物下调，片状细胞标志物上调）相一致。基因本体（GO）分析显示，与细胞骨架、细胞形状、细胞通讯和信号转导相关的术语在两组中均富集，这些基因在很大程度上与片状细胞特异性基因重叠。
mTORC1相关基因表达在寄生蜂感染和mTorWT过表达后下调
令人意外的是，尽管mTOR信号对于免疫响应是必需的，但转录组数据并未显示典型的mTORC1激活特征。相反，通常由mTORC1促进的合成代谢途径（如蛋白质和核苷酸合成）以及氧化磷酸化（OXPHOS）相关的基因普遍下调。而通常被mTORC1抑制的分解代谢过程（如自噬、凋亡）相关基因则有所上调。这提示在激活的血细胞中，mTORC1信号可能受到抑制。
mTorWT过表达和寄生蜂感染后，片状细胞中的翻译受到抑制
为了进一步验证mTORC1活性是否受到抑制，研究人员检测了翻译起始的调控。免疫印迹显示，总S6k及其磷酸化形式（pS6k）的比例在处理组间无显著差异。然而，通过免疫荧光检测mTORC1下游底物——磷酸化核糖体蛋白S6（pRpS6）的细胞水平发现，无论何种处理，成熟的片状细胞中pRpS6的信号都极弱或没有，而其他血细胞类型中则能检测到。这表明mTORC1介导的翻译，乃至mTORC1活性本身，在片状细胞中被特异性抑制，但在浆血胞亚型中仍保持活跃。
mTorWT过表达和寄生蜂感染导致血细胞中葡萄糖和谷氨酰胺代谢相关基因发生变化
转录组数据显示，激活的血细胞发生了深刻的代谢重编程。糖转运蛋白（如Tret1-1）和海藻糖酶（Treh）基因显著上调，表明葡萄糖摄取增加。糖酵解关键基因乳酸脱氢酶（Ldh）上调，而丙酮酸脱氢酶激酶（Pdk）下调，提示代谢向有氧糖酵解转变。氧化磷酸戊糖途径（PPP）的限速酶基因Zw（Zwischenferment）上调，这意味着NADPH生成增加，以支持活性氧（ROS）产生和解毒。此外，谷氨酰胺代谢相关基因也发生改变，特别是参与谷胱甘肽（GSH）合成的γ-谷氨酰循环中的基因（如谷氨酸-半胱氨酸连接酶催化亚基Gclc）被上调，表明谷氨酰胺被用于合成重要的抗氧化剂GSH。
激活的血细胞表现出与NADPH依赖性ROS代谢一致的基因表达模式
与NADPH氧化酶产生ROS一致，双氧化酶（Duox）及其成熟因子Moladietz（Mol）的基因在两种处理后均上调。同时，多种抗氧化和解毒系统相关基因也发生改变，如硫氧还蛋白（Trx）和谷胱甘肽S-转移酶（GST）家族基因的上调。这些变化共同描绘了一幅激活血细胞依赖有氧糖酵解供能、依赖PPP产生NADPH、并增强谷氨酰胺代谢以合成GSH来应对氧化应激的代谢图景。
mTor在片状细胞造血中作用于JNK和p38b通路的上游
已知JAK-STAT、JNK和p38通路参与片状细胞的生成。遗传上位性分析显示，在血细胞中同时过表达mTorWT并抑制JNK（通过hep或bsk RNAi）或p38b（通过p38b RNAi）通路，能够将mTorWT过表达诱导的片状细胞数量降低至对照水平。然而，抑制JAK-STAT通路（通过Stat92E RNAi或domeDN）则无此效果。这表明，mTOR通过激活JNK和p38通路来启动片状细胞造血，而JAK-STAT通路可能作用于mTOR的上游或并行途径。
结论与讨论
本研究首次在果蝇外周血细胞中系统地剖析了内源性mTOR通路的功能，揭示了其在控制免疫细胞命运决定中的关键作用。研究表明，mTOR信号对于血细胞激活和片状细胞分化是必需的。mTorWT过表达能模拟自然感染，诱导广泛的代谢和转录重编程，包括向有氧糖酵解、PPP和谷氨酰胺代谢的转变，以满足免疫细胞激活的能量、生物合成和氧化还原需求。一个有趣的发现是，虽然mTOR信号是启动片状细胞分化所必需的，但mTORC1的活性在成熟的片状细胞中被抑制，这可能是终末分化细胞的一个特征。遗传学实验证明，mTOR通过JNK和p38通路来驱动片状细胞生成。
这项研究的重要意义在于：首先，它确立了果蝇作为研究mTOR在免疫细胞发育和代谢中功能的强大遗传学模型。其次，研究揭示了免疫细胞激活过程中代谢可塑性的保守原则，即从氧化代谢向糖酵解代谢的转变，以及NADPH和抗氧化剂生成的重编程。这些发现与哺乳动物免疫细胞（如激活的T细胞和巨噬细胞）的代谢特征高度相似。最后，该研究提出了关于mTORC1活性在免疫细胞不同分化阶段动态变化的见解，这对于理解如何精确调控免疫响应以防止过度活化或功能失调具有启示意义。未来的研究可以进一步探索mTORC2在片状细胞功能（如细胞骨架重组）中的作用，以及代谢重编程与ROS产生/解毒在免疫效应中的具体联系。总之，这项工作深化了我们对进化保守的mTOR通路如何整合环境信号、代谢和细胞命运以协调有效免疫响应的理解。
