NUDT21通过自噬通路调控巨噬细胞过度激活

学术背景

炎症反应是机体免疫防御的重要组成部分，能够帮助清除病原体并促进组织修复。然而，炎症反应的失调可能导致慢性炎症性疾病，如炎症性肠病（IBD）、类风湿性关节炎（RA）、银屑病和系统性红斑狼疮（SLE）等。这些疾病通常伴随着免疫系统的异常激活和持续的炎症反应，严重时可能发展为危及生命的疾病，如噬血细胞性淋巴组织细胞增多症（HLH）。巨噬细胞的过度激活是这些炎症性疾病的关键特征，其异常功能会导致组织损伤、持续的炎症反应以及疾病严重程度的加剧。因此，研究巨噬细胞激活的复杂调控机制对于及时调整炎症反应、防止过度炎症具有重要意义。

在分子水平上，精确的转录调控和RNA代谢的改变与巨噬细胞的激活状态和细胞因子的产生密切相关。RNA代谢包括RNA的合成、加工和降解等多个过程，其中选择性多聚腺苷酸化（Alternative Polyadenylation, APA）是RNA代谢中的一个关键过程，通过选择不同的多聚腺苷酸化位点（PAS），生成具有不同3’非翻译区（3’UTR）长度的mRNA亚型。APA主要分为两种类型：3’UTR-APA和内含子-APA。3’UTR-APA在不改变编码序列的情况下调整3’UTR的长度，而内含子-APA可能产生截短的蛋白质。研究表明，3’UTR的缩短在巨噬细胞分化或病毒刺激时发生，但APA调控因子在巨噬细胞激活中的具体作用仍不清楚。

论文来源

本论文由Yunzhu Chen、Baiwen Chen、Jingyu Li等来自上海交通大学医学院、同济大学、重庆医科大学等机构的研究人员共同完成，并于2024年11月13日发表在Cellular & Molecular Immunology期刊上。论文的通讯作者为Hua-bing Li。

研究流程与结果

1. NUDT21在炎症性疾病中的表达增加

为了探究NUDT21在炎症性疾病中的作用，研究人员首先通过GEO数据库分析了多种免疫介导的炎症性疾病（IMIDs）中NUDT21的mRNA表达水平。结果显示，在炎症性肠病（IBD）、银屑病、类风湿性关节炎（RA）和脓毒症患者的炎症组织中，NUDT21的mRNA表达显著上调。此外，NUDT21在IFNγ/LPS刺激后的骨髓来源巨噬细胞（BMDMs）中，mRNA和蛋白水平均显著增加。这些结果表明，NUDT21可能在炎症进展中发挥重要作用。

2. NUDT21缺陷巨噬细胞对结肠炎的保护作用

为了研究NUDT21在巨噬细胞中的功能，研究人员构建了髓系特异性NUDT21缺陷小鼠（NUDT21fl/fl LysMcre，简称NUDT21-CKO）。通过RT-qPCR和免疫印迹分析，确认了NUDT21在CKO小鼠的BMDMs中被有效敲除。随后，研究人员通过3%葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导小鼠结肠炎模型，发现与野生型（WT）小鼠相比，NUDT21-CKO小鼠的体重减轻较少，结肠缩短程度较轻，结肠炎症也较轻。这些结果表明，NUDT21缺陷通过改变巨噬细胞功能，对结肠炎具有保护作用。

3. NUDT21缺陷巨噬细胞减轻过度炎症

为了进一步研究NUDT21缺陷巨噬细胞在急性过度炎症中的作用，研究人员使用聚肌胞苷酸（polyI:C）和脂多糖（LPS）诱导小鼠HLH模型。结果显示，与WT小鼠相比，NUDT21-CKO小鼠的存活率显著提高，体温和体重下降较少，外周白细胞计数和脾脏损伤评分也较低。此外，NUDT21-CKO小鼠的脾脏和肝脏组织中促炎细胞因子IL6和IL1β的mRNA表达水平显著降低。通过使用氯膦酸脂质体清除巨噬细胞，研究人员进一步证实了NUDT21缺陷巨噬细胞在减轻急性炎症中的关键作用。

4. NUDT21缺陷巨噬细胞的促炎特性降低

研究人员进一步分析了HLH模型中NUDT21缺陷巨噬细胞的特性，发现与WT小鼠相比，NUDT21-CKO小鼠的脾脏巨噬细胞数量和比例增加，细胞死亡减少。此外，NUDT21-CKO小鼠的脾脏巨噬细胞中IL6和TNFα的表达水平显著降低，细胞因子分泌也减少。这些结果表明，NUDT21缺陷显著降低了巨噬细胞的促炎特性。

5. NUDT21缺陷巨噬细胞的自噬活性增强

为了探究NUDT21缺陷巨噬细胞抗炎特性的分子机制，研究人员对WT和NUDT21-CKO小鼠的BMDMs进行了高通量转录组测序（RNA-seq）。结果显示，NUDT21缺陷巨噬细胞中有2707个差异表达基因，其中88%的基因上调，12%的基因下调。基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析表明，自噬相关通路显著富集。进一步的研究发现，NUDT21缺陷巨噬细胞中关键自噬调节因子MAP1LC3B和ULK2的表达显著增加，且这些基因的mRNA稳定性增强。通过透射电子显微镜（TEM）和免疫荧光染色，研究人员证实了NUDT21缺陷巨噬细胞中自噬小体和自噬溶酶体的数量显著增加。

6. NUDT21调控自噬基因的mRNA稳定性

NUDT21通过识别UGUA基序促进远端多聚腺苷酸化位点的使用，其缺失会导致mRNA的3’UTR缩短。研究人员通过DAPARS算法分析了WT和NUDT21-CKO小鼠BMDMs的RNA测序数据，发现约1800个基因的3’UTR长度发生了显著变化，其中90%的基因表现为3’UTR缩短。进一步的研究表明，NUDT21缺陷巨噬细胞中MAP1LC3B和ULK2的mRNA稳定性增强，导致自噬活性增加，从而减少了NF-κB信号通路的激活和炎症细胞因子的分泌。

结论与意义

本研究发现，NUDT21通过调控3’UTR长度，影响关键自噬基因的mRNA稳定性，从而调节巨噬细胞的自噬活性和炎症反应。NUDT21缺陷巨噬细胞表现出增强的自噬活性，减少了促炎细胞因子的分泌，从而在炎症性疾病中发挥保护作用。这一发现揭示了RNA代谢与自噬调控之间的复杂相互作用，为炎症性疾病的治疗提供了新的潜在靶点。

研究亮点

1. NUDT21在炎症性疾病中的表达显著上调，提示其在炎症进展中的重要作用。
2. NUDT21缺陷巨噬细胞通过增强自噬活性，减少了促炎细胞因子的分泌，从而在结肠炎和HLH模型中表现出保护作用。
3. NUDT21通过调控3’UTR长度，影响自噬基因的mRNA稳定性，揭示了RNA代谢在巨噬细胞炎症反应中的新机制。

研究价值

本研究不仅揭示了NUDT21在巨噬细胞自噬和炎症反应中的关键作用，还为炎症性疾病的治疗提供了新的思路。通过靶向NUDT21或相关自噬基因的3’UTR，可能开发出精确的抗炎治疗方法，而不影响巨噬细胞的整体功能。这一发现具有重要的科学价值和临床应用前景。