死，而不僵——凋亡細胞的代謝物調控周圍細胞的基因表達模式

撰文 | 阿童木

細胞凋亡（apoptosis）是一種多基因嚴格控制下細胞主動實施的程序性死亡過程，在生物體生長髮育和內環境穩態維持中具有關鍵作用。Caspase家族是一種進化上保守的半胱氨酸蛋白酶家族，能直接誘導凋亡細胞的解體，生物體將近90%的細胞變更（turnover）都離不開caspase依賴性細胞凋亡過程，因此caspase是細胞凋亡調控網絡的樞紐和關鍵【1】。近年來研究發現，Caspase依賴性細胞凋亡發生後能夠進一步調節機體的炎症反應、細胞增殖、胚胎發生與組織再生，其在生物體生理穩態維持中的重要性不言而喻【2, 3】。然而，凋亡細胞調節上述過程的機制目前仍不清楚。此外，凋亡細胞在一段時間內保持完整，並能釋放可溶性代謝物，這些代謝物在組織內擴散，潛在地影響了鄰近細胞的生理功能【4】。儘管之前研究已從凋亡細胞中鑑定到一些可溶性分泌物能通過傳遞“find-me”信號來吸引吞噬細胞，但目前凋亡分泌體的組成和功能仍不甚清楚【5】。

2020年3月18日，美國弗吉尼亞大學Kodi S. Ravichandran教授在Nature雜誌發表了題為 Metabolites released from apoptotic cells act as tissue messengers 的研究長文，發現凋亡細胞能通過釋放特定的代謝物調節周圍細胞與免疫和代謝等有關的基因表達模式，且凋亡細胞代謝混合物能誘導抗炎基因的表達，並能在體內緩解生物體的炎症反應。

值得一提的是，Nature雜誌在當期配發了美國St. Jude兒童研究醫院Douglas R. Green教授撰寫的題為 Ghostly metabolic messages from dying cells”的News and Views評論文章，對該發現做了亮點推薦，認為本研究為進一步闡釋細胞凋亡如何引發代謝變化，以及代謝物的調節釋放如何影響組織穩態提供了豐富的可能性【6】。

圖1 凋亡細胞代謝組分析流程及關鍵代謝物的確定

為獲得凋亡細胞代謝物分泌組譜，作者誘導人類Jurkat T細胞、原代小鼠胸腺細胞或原代小鼠骨髓來源的巨噬細胞發生caspase依賴性細胞凋亡後，進行了非靶向代謝組及靶向代謝組分析（圖1a）。通過比較不同類型細胞在不同的凋亡觸發條件下發生凋亡的情況，發現所有凋亡細胞都會釋放6種一致的代謝物，即

經過上述分析，作者注意到，儘管在沉澱中檢測到許多細胞代謝物，但只有一小部分被釋放到上清液中；此外，即使在已知的代謝途徑中，也只有部分代謝產物被凋亡細胞所釋放。作者推測這種選擇性可能是由於凋亡細胞通過啟動特定的分子通道，以促進某些代謝物的滲透，繼續影響凋亡細胞內分泌體的釋放。pannexin 1 （PANX1）通道是跨越細胞膜的半通道蛋白，能夠在細胞凋亡過程中激活並釋放ATP以吸引巨噬細胞吞食和消化凋亡細胞及其組分。為驗證該假說，作者對凋亡細胞PANX1通道進行了檢測，發現caspase介導的質膜PANX1通道的開放能夠特異性地促進凋亡細胞中特定代謝物的釋放，其中一些釋放的代謝物在之前研究中並未發現與PANX1有關。隨後，作者檢測了凋亡細胞的分泌物是否受到凋亡細胞內代謝活動的影響。通過追蹤控制精氨酸向精胺的轉化的多胺途徑，作者發現誘導凋亡的細胞在死亡前增加了精胺及其前體腐胺的合成，凋亡細胞會釋放精胺，但不釋放腐胺，且精胺的釋放依賴於PANX1。以此可以推斷，某些代謝途徑在細胞凋亡過程中持續保持活性，但只釋放代謝途徑中的特定代謝物。因此，凋亡細胞至少在兩個水平上選擇性調控了代謝物的產生和釋放——特定通道的caspase依賴性啟動 (如PANX1) 以及某些代謝通路的持續激活與代謝物的選擇性釋放。

圖2 凋亡細胞代謝物能改變巨噬細胞的基因表達模式

接下來，作者檢測了凋亡細胞釋放的代謝物是否會改變附近正常細胞 (如吞噬細胞) 的基因表達模式。將凋亡細胞上清液添加到巨噬細胞培養基中後，通過RNA測序，作者發現凋亡細胞分泌物能夠顯著改變與細胞骨架重排、炎症反應、傷口癒合或組織修復、抗凋亡功能、代謝和吞噬細胞大小調節有關的基因表達模式。此外，

隨後，作者分別檢測了所有凋亡細胞均會釋放的6種代謝物對巨噬細胞基因表達譜的影響，發現沒有一種單一代謝物能顯著改變巨噬細胞的基因表達模式。然而，6種代謝物（Memix-6）同時處理能在體外條件下顯著誘導某些與抗炎巨噬細胞極化或糖基化、Il10轉錄和消炎、代謝調節等基因的表達，其中一些基因還被證明參與了吞噬作用。利用3種共有代謝物——亞精胺、GMP和肌酸的混合物（Memix-3）處理巨噬細胞後，也能在一定程度上導致類似的基因表達變化。鑑於代謝混合物能誘導抗炎基因的表達，作者接下來利用炎症性關節炎模型和肺移植排斥模型檢測了代謝混合物是否能在體內緩解炎症反應。研究發現，誘導上述兩種炎症反應後，凋亡細胞代謝混合物處理能顯著改善炎症性關節炎的足腫脹等關節炎症狀，並能抑制肺移植後的排斥反應。

總的來說，本研究有以下重要發現：首先，受到凋亡細胞自身代謝變化以及凋亡相關通道蛋白活性的影響，不同類型細胞發生凋亡後能夠釋放類似的代謝物；其次，凋亡細胞並不是等待清除的惰性死細胞，其能夠通過釋放代謝物調節組織內鄰近細胞的基因表達模式；最後，本文發現凋亡細胞代謝物能夠緩解關節炎症狀和肺移植排斥反應，為以細胞凋亡為切入點治療炎症性疾病提供了證據支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2121-3

評論鏈接：https://doi.org/10.1038/d41586-020-00641-0

製版人：珂

參考文獻

1. Fuchs Y, Steller H. Programmed cell death in animal development and disease. Cell, 2011, 147(4): 742-758.1

2. Rothlin C V, Carrera-Silva E A, Bosurgi L, et al. TAM receptor signaling in immune homeostasis. Annual review of immunology, 2015, 33: 355-391.

3. Ke F F S, Vanyai H K, Cowan A D, et al. Embryogenesis and adult life in the absence of intrinsic apoptosis effectors BAX, BAK, and BOK. Cell, 2018, 173(5): 1217-1230. e17.

4. Gregory C D, Pound J D. Cell death in the neighbourhood: direct microenvironmental effects of apoptosis in normal and neoplastic tissues. The Journal of pathology, 2011, 223(2): 178-195.

5. Elliott M R, Chekeni F B, Trampont P C, et al. Nucleotides released by apoptotic cells act as a find-me signal to promote phagocytic clearance. Nature, 2009, 461(7261): 282-286.

6. Douglas R. Green. Ghostly metabolic messages from dying cells. Nature, 2020, doi: 10.1038/d41586-020-00641-0.

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