MCT1/4介导的衣康酸跨膜转运调控巨噬细胞抗沙门氏菌感染的新机制

《Nature Communications》：Itaconate transport across the plasma membrane and Salmonella-containing vacuole via MCT1/4 modulates macrophage antibacterial activity

本研究针对细菌感染过程中关键免疫代谢物衣康酸（itaconate）的跨膜转运机制这一前沿科学问题，揭示了单羧酸转运蛋白MCT1和MCT4在质膜和沙门氏菌容纳泡（SCV）上双向转运衣康酸的重要功能。研究发现，抑制MCT1/4可增加细胞内衣康酸浓度，增强其对SCV内沙门氏菌的靶向性，从而显著抑制细菌复制。该研究不仅阐明了衣康酸空间分布调控的分子基础，更为开发基于衣康酸的抗感染治疗策略提供了新思路。

　　

在细菌感染的战场上，巨噬细胞作为机体的重要防线，会迅速启动一系列代谢重编程来对抗入侵者。其中，衣康酸（itaconate）作为一种重要的免疫代谢物，近年来备受关注。当巨噬细胞感知到细菌感染时，其三羧酸循环（TCA cycle）会在异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）处发生中断，导致顺乌头酸（cis-aconitate）积累，进而被免疫应答基因1（IRG1，也称为乌头酸脱羧酶1，ACOD1）催化脱羧生成衣康酸。这种代谢物不仅能够通过"衣康酰化"（itaconation）修饰蛋白质，更被证实具有直接的抗菌活性。

然而，科学界对衣康酸如何在细胞内"精准投递"以发挥其抗菌作用的机制了解甚少。特别是衣康酸如何跨越质膜实现细胞内外转运，以及如何被运送到细菌藏身的"特制牢笼"——沙门氏菌容纳泡（Salmonella-containing vacuole， SCV）中，这些关键科学问题一直悬而未决。虽然近期有研究发现ABCG2可以作为衣康酸的输出泵，但这一发现并不能完全解释衣康酸的分泌过程，提示存在其他转运机制。理解衣康酸的转运机制，对于开发针对耐药菌感染的新治疗策略具有重要意义。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，研究人员通过系统的实验设计，发现单羧酸转运蛋白MCT1（SLC16A1）和MCT4（SLC16A3）是衣康酸的关键双向转运蛋白。研究表明，抑制MCT1和MCT4的转运活性能够显著增强巨噬细胞对沙门氏菌的清除能力，这一效应依赖于内源性衣康酸的生成。通过构建基因敲除细胞系，研究人员证实MCT1和MCT4的功能缺失会导致细胞内衣康酸积累，增加衣康酸靶向的沙门氏菌比例，从而抑制细菌复制。

为了探究MCT1/4介导衣康酸转运的直接证据，研究团队采用了多种技术方法：利用非洲爪蟾卵母细胞异源表达系统进行转运分析；构建蛋白脂质体（proteoliposomes）验证直接转运功能；开发基于生物传感器的衣康酸检测方法；应用液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术进行代谢物定量分析；采用免疫共沉淀（co-immunoprecipitation）研究蛋白质相互作用；通过细胞成像技术分析蛋白质定位。研究中使用了来自健康捐献者的单核细胞来源的巨噬细胞（hMDM）以及基因工程小鼠模型。

MCT1和MCT4转运活性的抑制增强抗沙门氏菌感染能力

研究发现，沙门氏菌感染后，衣康酸在巨噬细胞胞质中积累并随后被分泌到细胞外。当使用MCT1和MCT4的双重抑制剂Su3118（Syrosingopine）或MCT1抑制剂AZD3965与MCT4抑制剂VB124联合处理时，沙门氏菌在RAW264.7细胞、树突状细胞和人类巨噬细胞中的存活均受到显著抑制。重要的是，这种抗菌效应在Irg1缺陷的细胞或小鼠中消失，表明MCT1/4的抗菌作用依赖于衣康酸的生成。

抑制MCT1和MCT4转运活性促进衣康酸靶向沙门氏菌

研究人员发现MCT1和MCT4定位于巨噬细胞的质膜上。通过非靶向代谢组学分析，发现抑制MCT1和MCT4后，细胞内衣康酸水平显著升高。利用衣康酸生物传感器，研究显示在MCT1/4活性被抑制的细胞中，更多沙门氏菌被衣康酸靶向。这种效应在感染后期尤为明显，与衣康酸分泌增加的时间点相符。

MCT1和MCT4将细胞内衣康酸转运至细胞外

研究团队开发了基于生物传感器的衣康酸分泌检测方法，发现抑制MCT1/4可显著减少衣康酸的分泌。在稳定表达IRG1的HEK 293T细胞中，过表达MCT1和MCT4降低了细胞内衣康酸水平，同时增加了上清中的衣康酸含量。在Mct1^-/-Mct4^-/-双敲除的RAW264.7细胞中，也观察到类似的细胞内衣康酸积累和分泌减少现象。

MCT1和MCT4将细胞外衣康酸转运至细胞内

研究表明MCT1/4也能介导细胞外衣康酸的摄取。在Irg1^-/-细胞或HeLa细胞中，MCT1/4抑制剂显著抑制了衣康酸的摄入。利用¹³C标记的衣康酸实验证实，Su3118以剂量依赖的方式抑制衣康酸的摄取。研究还发现衣康酸与乳酸、琥珀酸和丙酮酸等MCT1/4的底物存在竞争性转运关系。

MCT1/4介导的衣康酸转运具有pH依赖性

衣康酸是一种二羧酸，具有两种电离状态（HITA和ITA^2-）。研究发现酸性pH条件促进衣康酸的转运，表明衣康酸主要以单羧酸形式（HITA^-）通过MCT1/4进行转运。细菌感染引起的细胞内酸化可能促进了衣康酸向单羧酸形式的转化，从而影响其转运效率。

在非洲爪蟾卵母细胞和脂质体中验证MCT1/4的衣康酸转运功能

通过非洲爪蟾卵母细胞异源表达系统，研究人员证实表达重组MCT1或MCT4的卵母细胞对衣康酸的摄取增强。此外，将纯化的人MCT1或MCT4蛋白重构至蛋白脂质体中，发现含有野生型MCT1或MCT4的脂质体能够有效转运衣康酸，而突变型则无此功能，为MCT1/4直接转运衣康酸提供了直接证据。

MCT1和MCT4将衣康酸转运至沙门氏菌容纳泡

研究发现MCT1和MCT4不仅定位于质膜，也招募至SCV。抑制MCT1/4后，被MCT1/4包裹的沙门氏菌比例增加，且这些细菌更易被衣康酸靶向。大多数被MCT1/4包围的沙门氏菌同时被衣康酸靶向，表明MCT1/4在SCV水平介导衣康酸的转运。

MCT1和MCT4依赖的衣康酸向SCV转运受RAB32促进

研究发现MCT1/4与RAB32存在相互作用，且沙门氏菌可被RAB32和MCT1/4共同包裹。对于不能中和RAB32-衣康酸抗菌效应的沙门氏菌突变株（△GtgE△SopD2），MCT1/4的招募减少，表明RAB32参与调控MCT1/4依赖的衣康酸转运。

本研究系统阐明了MCT1和MCT4在衣康酸双向转运中的核心作用，揭示了这些转运蛋白在质膜和SCV两个关键位点调控衣康酸空间分布的分子机制。研究发现，MCT1/4不仅介导衣康酸的细胞分泌，也参与其向SCV的靶向递送，而这一过程受RAB32的精细调控。在感染早期，衣康酸主要通过MCT1/4被转运至SCV，直接作用于胞内细菌；随着感染持续，多余的衣康酸则通过MCT1/4分泌至细胞外。抑制MCT1/4功能可提高细胞内衣康酸水平，增强其对SCV内沙门氏菌的靶向性，从而有效抑制细菌复制。

该研究不仅深化了对免疫代谢物转运机制的理解，还将代谢转运蛋白MCT1/4与抗菌免疫紧密联系起来，为代谢免疫领域提供了重要见解。鉴于MCT1和MCT4是公认的药物靶点，本研究为开发基于衣康酸的抗感染治疗策略提供了新思路，尤其是在抗生素耐药性问题日益严峻的背景下，MCT1/4抑制剂（如Su3118、VB124+AZD3965）的抗菌特性显示出广阔的转化应用前景。