干扰素(IFN)-I的过量产生和长期激活会导致自身免疫性疾病，肿瘤坏死因子(TNF)、白细胞介素(IL)-1等促炎细胞因子的异常产生和功能也会引起多种自身免疫性疾病。了解免疫细胞如何控制IFN-I和促炎细胞因子的产生及效应反应，将加深我们对自身免疫和耐受机制的理解，并为自身免疫性疾病的细胞因子阻断治疗提供线索。
目前已有多种小分子代谢物如GABA、衣康酸、吲哚丙酸，在免疫调节机制中发挥着各种作用。精胺作为体内重要的多胺类化合物，已被证实具有抗肿瘤、抗病毒免疫反应等活性作用。继CCR7 Chemokine Receptor-Inducible lnc-Dpf3 Restrains Dendritic Cell Migration by Inhibiting HIF-1α-Mediated Glycolysis（Immunity，2019IF=21.522，麦特绘谱提供非靶向代谢组学技术服务）研究之后，中国医学科学院基础医学研究所曹雪涛院士团队与麦特绘谱再次携手在Immunity（2024IF=25.5）发表题为“Cellular spermine targets JAK signaling to restrain cytokine-mediated autoimmunity”的文章，揭示了精胺能够抑制JAK介导的细胞因子免疫应答及炎症反应，有效缓解自身免疫性疾病进程。该研究还筛选出精胺天然衍生物SD1，证明了其具有广谱性免疫抑制和抗炎功能，表明精胺及其衍生物是细胞稳态的代谢检查点和控制自身免疫性疾病的潜在免疫抑制分子。（麦特绘谱提供多胺定量检测和非靶向代谢组学检测服务）
研究思路
图1. 技术路线
功能筛选确定抑制IFN-I反应的精胺
为了研究巨噬细胞在IFN-I刺激下的代谢产物变化，利用代谢组学技术分析IFN-β作用和水疱性口炎病毒(VSV)感染后的小鼠骨髓源性巨噬细胞(BMDMs)，发现分别有73种和43种代谢物产生了显著变化，其中，有5种代谢物发生了共同的变化。进一步使用报告基因筛选以上代谢物，发现精胺对ISG启动子活性抑制最为显著，此外，利用13C-亚精胺和13C-精胺同位素示踪技术也证实了精胺是巨噬细胞中IFN-I效应反应的有效抑制剂。
图2. 精胺抑制巨噬细胞对IFN-I的反应
精胺抑制IFN-I、IFN-g、IL-2和IL-6诱导的JAK信号传导
RNA-seq测序技术表明精胺预处理能降低IFN-β诱导的ISG mRNA水平，GO富集分析显示细胞因子响应的的相关基因为主要富集基因。在人THP-1单核细胞中，精胺抑制了IFN-β信号传导，类似结果在腹膜巨噬细胞（PMs）、小鼠肺上皮细胞（MLE-12）、小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）和IFN-α刺激的HepG2细胞中也被观察到。JAK-STAT途径是多种细胞因子的关键下游信号传导事件，精胺预处理能够抑制细胞中IFN-g、IL-6和IL-2触发的JAK-STAT通路的激活。
图3. 精胺抑制多种细胞因子诱导的JAK信号通路
精胺结合JAK1的N端结构域，破坏JAK1-细胞因子受体的相互作用
结合前文精胺抑制细胞因子触发的JAK通路激活，使用邻位标记技术（PLA）发现精胺阻断了JAK1和IFANR2在腹膜巨噬细胞中的相互作用，免疫共沉淀实验也进一步显示精胺处理降低了RAW264.7细胞中myc标记的JAK1与FLAG标记的IFNAR2的相互作用，并呈现剂量依赖式抑制。结合生物素标记的精胺Pull down实验、分子对接和分子动力学分析，精胺直接与JAK1的N-末端FERM和SH2结构域结合，组断了JAK1与细胞因子受体的结合。
图4. 精胺通过与JAK1结合来抑制细胞因子信号传导
精胺代谢途径异常干扰JAK-STAT信号传导和细胞因子反应
细胞内的多胺浓度由一组酶进行调节，鸟氨酸脱羧酶(ODC1) 和亚精胺/精胺N1-乙酰转移酶1 (SAT1) 是多胺代谢的限速酶。IFN-β刺激导致巨噬细胞中ODC1表达下降，SAT1表达上升，高特异性氨丙基转移酶（SMS）蛋白水平下降，巨噬细胞中精胺氧化酶（SMOX）mRNA增加。使用13C-亚精胺追踪精胺代谢，在IFN-β刺激下，13C-精胺和未标记的精胺都减少，13C-乙酰亚精胺/13C-亚精胺和13C-乙酰精胺/13C-精胺比例增加，13C-精胺/13C-亚精胺比例降低，表明精胺分解被激活。通过精胺补充实验发现精胺代谢途径的改变显著影响了JAK-STAT信号传导和细胞因子反应，调控ODC1、SMS和SAT1等关键酶，可以改变细胞对IFN-β刺激的反应。
图5. 精胺代谢途径影响JAK-STAT信号传导和细胞因子反应
精胺抑制SLE患者PBMCs中的IFN-I信号传导
与健康人相比，系统性红斑狼疮（SLE）患者的外周血单核细胞（PBMCs）中SAT1和ODC1 mRNA水平增强，对其进行RNA-seq分析表明精胺浓度低的患者表现出增强的IFN-α和IL-4应答特征且较低的精胺浓度与T细胞和B细胞中的狼疮特征表达呈现正相关。精胺处理SLE患者的PBMCs后，IFN-α和IL-6介导的基因表达特征下降，STAT1磷酸化减少。
图6. 精胺在SLE患者外周血单核细胞（PBMCs）中对IFN-I信号传导的抑制作用
精胺抑制体内IFN-I反应
为了进一步探讨精胺在体内对IFN-I反应的抑制作用及其潜在的治疗价值，使用野生型或Ifnar1缺陷型小鼠模型发现精胺预处理或Ifnar1缺失显著降低了ISGs的表达，表现出较轻的皮肤损伤。Reactome通路分析表明体内施用精胺导致的通路重塑与Ifnar1缺失导致的通路重塑非常相似。以上结果表明在原始诱导的SLE小鼠模型中，体内给药精胺可以抑制IFN-I反应，减轻自身炎症损伤和疾病进展。
图7. 精胺在体内对IFN-I反应的抑制作用及其潜在的治疗价值
体内施用精胺及其衍生物SD1可减弱自身免疫发病机制
通过药效团杂交和骨架跳跃策略筛选69种候选化合物，确定了精胺衍生物SD1。体内外实验证明SD1具有广泛的免疫抑制特性。此外，在咪喹莫特（IMQ）诱导的银屑病样小鼠模型中，SD1相较于精胺更能诱导皮肤病变缓解、减少免疫细胞浸润并防止体重减轻。
图8. 精胺衍生物SD1在自身免疫疾病中的治疗潜力
总结
本研究通过对IFN-β激活的巨噬细胞进行代谢组学分析和IFN刺激反应元件报告基因筛选，确定精胺是JAK信号通路的抑制剂，在抑制细胞因子信号传导和免疫调节中起关键作用。通过药效团杂交和骨架跃迁策略筛选出具有广泛免疫抑制功能的精胺衍生物SD1，揭示了精胺在银屑病等多种炎性疾病中的作用，表明精胺及其衍生物在广泛的炎性疾病中具有应用潜力。
参考文献
Xu H, Zhang X, Wang X, et al. Cellular spermine targets JAK signaling to restrain cytokine-mediated autoimmunity. Immunity. Published online June 17, 2024. doi:10.1016/j.immuni.2024.05.025
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在本研究中，麦特绘谱通过代谢组学技术支持了精胺等多胺类物质含量的检测，助力发现其抑制JAK介导的细胞因子免疫应答及炎症反应，有效缓解自身免疫性疾病进程。麦特绘谱多胺类产品检测服务涵盖精胺、腐胺、亚精胺等多个关键物质成分，协助客户深耕肿瘤研究、免疫调节、心血管健康、神经保护、抗癌、抗衰等多个研究领域。
麦特绘谱开创性地搭建了医学领域高端代谢组学技术平台，覆盖了非靶向-全定量-代谢流等全方位的高端医学代谢组解决方案，同时全面布局微生物组学、转录组学和蛋白质组学等多组学技术服务，已成为全球多组学研究者的优选合作伙伴。麦特绘谱拥有Q1000，Q500、Q300、Q200和胆汁酸、短链脂肪酸、色氨酸及咧咪衍生物、多胺和TMAO类等各类小分子代谢物、非靶向代谢组学和同位素示踪代谢流技术等共40+系列检测方法；已为数百家三甲医院、科研院所和企业提供多组学解决方案，协助客户与合作伙伴发表SCI文章400+篇，累计影响因子4000+，平均IF>10，包括Cell, Nature, Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Hepatology, Microbiome等权威期刊。
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