衣康酸通过烷基化AIM2介导脓毒症中巨噬细胞PANoptosis中文标题

《Cellular & Molecular Immunology》：The alkylation of AIM2 by itaconate mediates macrophage PANoptosis during sepsis

　　

尽管免疫代谢物衣康酸（itaconate）长期以来被认为具有抗炎作用，但研究人员发现其大量积累反而会驱动巨噬细胞死亡和促炎反应。然而，衣康酸诱导巨噬细胞毒性的确切分子机制仍不清楚。本研究证明，病理生理相关高浓度衣康酸可共价烷基化黑色素瘤缺乏因子2（AIM2）蛋白的第113位半胱氨酸（C113）残基。衣康酸介导的C113烷基化在结构上稳定了AIM2蛋白并引发构象变化，使其能够驱动ASC寡聚化、PANoptosome组装以及随后的巨噬细胞PANoptosis（一种同时包含细胞焦亡、凋亡和坏死性凋亡的程序性细胞死亡）。研究人员利用原代巨噬细胞的慢病毒重建以及细胞系中的质粒介导表达，严格证实AIM2 C113A突变完全消除了衣康酸诱导的AIM2稳定和PANoptosis。体内模型进一步证实了该轴对系统性脓毒症的致病贡献。综上所述，这些发现揭示了衣康酸通过AIM2的翻译后修饰发挥促炎作用的新机制。衣康酸-AIM2烷基化轴为巨噬细胞耗竭和系统性炎症提供了关键的机制见解，并突出了严重脓毒症的潜在治疗靶点。

脓毒症是一种危及生命的临床综合征，其核心在于宿主对感染的反应失调，常导致系统性过度炎症、多器官功能衰竭及严重免疫抑制。巨噬细胞作为该病理过程的核心，既参与早期的“细胞因子风暴”，也涉及后期的免疫麻痹。近年来，免疫代谢研究揭示，代谢重编程决定了巨噬细胞的效应功能，因此，识别驱动脓毒症病理转变的关键内源性代谢物至关重要。 传统上，乌头酸脱羧酶1（ACOD1）及其催化产物衣康酸（一种源自三羧酸循环的免疫代谢物）被认为是抗炎的核心调节因子。然而，这一观点正受到挑战。临床观察发现，脓毒症患者外周血中持续高表达的ACOD1反而与预后不良和死亡率增加相关。这引出了一个关键问题：在脓毒症晚期或免疫抑制阶段，衣康酸的持续积累是否通过未知机制，将其角色从免疫保护转变为促进脓毒症？ 衣康酸是一种亲电体，可通过迈克尔加成反应共价修饰靶蛋白上的半胱氨酸残基（这一过程称为“itaconation”）。其抗炎特性很大程度上依赖于对KEAP1、JAK1等蛋白的烷基化修饰。另一方面，巨噬细胞的程序性死亡（特别是整合了细胞焦亡、凋亡和坏死性凋亡的PANoptosis）是炎症的终端放大器。然而，衣康酸的代谢超载是否通过烷基化效应直接桥接炎症小体激活和PANoptosis，此前完全未知。 本研究旨在阐明脓毒症期间衣康酸调控巨噬细胞PANoptosis的分子机制。研究人员发现，内源性积累和外源性高剂量衣康酸均会加剧系统性过度炎症和多器官衰竭。在免疫抑制晚期，升高的衣康酸通过活性氧（ROS）依赖性线粒体功能障碍动态诱导巨噬细胞发生严重的PANoptosis。机制上，衣康酸烷基化了胞质DNA感受器AIM2的高度保守的Cys113残基，稳定其结构并促进PANoptosome组装，从而放大细胞因子风暴和组织损伤。最终，Aim2基因敲除或Cys113点突变完全挽救了巨噬细胞免受衣康酸驱动的PANoptosis，并在体内减轻了脓毒症严重程度。这些发现重塑了衣康酸生物学的概念框架，揭示了其通过AIM2依赖机制加剧脓毒症发病的双刃剑角色，为治疗高致死性脓毒症提供了新的机制基础。该论文发表在《Cellular & Molecular Immunology》上。 本研究综合运用了临床队列分析（公共数据库GSE26440、GSE95233、GSE236713及自建队列的PBMCs样本）、代谢组学分析（LC-MS）、基因工程动物模型（Acod1^?/?及Aim2^?/?小鼠）、脓毒症动物模型（CLP法）、细胞生物学（原代BMDMs培养、慢病毒/质粒转导、点突变C113A）、分子互作验证（烷基化修饰检测、共聚焦/免疫荧光）及多维度细胞死亡表型鉴定（PANoptosis评估）等技术手段。### 研究结果 #### 脓毒症患者中持续上调的ACOD1-衣康酸水平与不良预后密切相关 研究人员首先通过分析公共转录组数据库及自建队列发现，脓毒症患者外周血及PBMCs中ACOD1的表达均显著高于健康对照。在CLP（盲肠结扎穿刺）诱导的脓毒症小鼠模型中，肺、肝、肾组织中Acod1 mRNA及蛋白水平也显著上调，且主要与M1型巨噬细胞共定位。代谢组学分析进一步证实，脓毒症患者PBMCs及LPS刺激的BMDMs（骨髓来源巨噬细胞）中衣康酸含量显著积累。生存分析显示，非存活患者的ACOD1表达及衣康酸水平均高于存活者，提示该轴的高激活与不良预后密切相关。 #### ACOD1-衣康酸轴加剧脓毒症中的系统性炎症和多器官衰竭 为了明确衣康酸在脓毒症中的功能，研究人员利用WT（野生型）和Acod1^?/?小鼠构建CLP模型，并外源性给予4-OI（4-辛基衣康酸，一种细胞通透性衣康酸衍生物）以模拟病理积累。结果显示，外源性4-OI显著降低了WT和Acod1^?/?脓毒症小鼠的生存率，而Acod1基因缺失本身则提高了生存率，证明内源性衣康酸具有促脓毒症作用。4-OI处理加剧了血清促炎因子（IL-1β、IL-6、TNF-α）的释放，并导致肺、肝、肾更严重的组织病理学损伤及功能指标（如AST/ALT、BUN/Cr）恶化，且Acod1^?/?的保护效应可被4-OI逆转，证实了衣康酸在驱动多器官衰竭中的核心地位。 #### 高剂量衣康酸通过ROS-mtDNA轴诱导巨噬细胞PANoptosis 在机制探索层面，研究人员发现高剂量衣康酸（而非低剂量）在体外可诱导BMDMs发生同时具备焦亡、凋亡和坏死性凋亡特征的PANoptosis。这种死亡依赖于ROS的爆发和线粒体功能障碍，导致mtDNA（线粒体DNA）释放至胞质。进一步实验证实，衣康酸诱导的PANoptosis不依赖于经典炎症小体NLRP3，但依赖于胞质DNA感受器AIM2。通过CRISPR-Cas9敲除Aim2或使用mtDNA抑制剂（如dideoxycytidine, ddC）阻断mtDNA释放，均可显著抑制衣康酸诱导的细胞死亡。 #### 衣康酸直接烷基化AIM2^C113以驱动PANoptosome组装 分子机制上，研究人员证实衣康酸作为亲电试剂，可直接共价修饰AIM2蛋白的Cys113残基（而非其他半胱氨酸位点）。这种修饰（itaconation）增强了AIM2蛋白的结构稳定性，并触发其构象变化，促进其与接头蛋白ASC的寡聚化，进而组装形成PANoptosome复合体。通过点突变将AIM2的Cys113突变为丙氨酸（C113A），完全阻断了衣康酸诱导的AIM2稳定化、ASC寡聚化及后续的PANoptosis。体内实验进一步证实，Aim2^?/?小鼠或回补AIM2^C113A突变体的小鼠在脓毒症模型中表现出更轻的炎症和组织损伤，且对衣康酸的促死亡效应不敏感。 本研究揭示了衣康酸在脓毒症中的“双刃剑”角色：传统认知中其通过烷基化KEAP1等靶点发挥抗炎作用，但在病理性的高浓度积累下，它转而通过烷基化AIM2^C113触发巨噬细胞PANoptosis，驱动免疫失衡和多器官衰竭。这一发现不仅解释了临床中ACOD1高表达与不良预后的矛盾关联，也为脓毒症治疗提供了新的潜在靶点——即靶向AIM2^C113的烷基化界面可能在不影响衣康酸其他生理功能的前提下，阻断其病理效应。研究结论部分指出：“Taken together, our findings reshape the conceptual framework of itaconate biology, unmasking it as a dual-edged sword that exacerbates sepsis pathogenesis through an AIM2-dependent mechanism, thus offering a novel mechanistic basis for treating high-lethality sepsis.”（综上所述，我们的发现重塑了衣康酸生物学的概念框架，揭示其作为一把双刃剑，通过AIM2依赖机制加剧脓毒症发病，从而为治疗高致死性脓毒症提供了新的机制基础。）