训练免疫的表观遗传与代谢驱动机制：微生物与疫苗诱导的固有免疫记忆重编程

《Immunology》：Epigenetic and Metabolic Changes That Drive Trained Immunity in Response to Microbes and Vaccines

中文摘要翻译 训练免疫（trained immunity）是一种固有免疫记忆形式，其机制为初次暴露于微生物组分或疫苗后，通过表观遗传和代谢改变导致固有免疫细胞发生持久的功能重编程。与适应性免疫不同，训练免疫不依赖B或T淋巴细胞，能够针对多种病原体提供广谱、非特异性的保护。这一现象已在多种免疫细胞中观察到，包括单核细胞（monocytes）、巨噬细胞（macrophages）、中性粒细胞（neutrophils）、自然杀伤细胞（NK cells），甚至γδ T细胞（γδ T-cells），并存在于造血干细胞和祖细胞（haematopoietic stem and progenitor cells, HSPCs）水平。主要诱导物包括微生物产物（如β-葡聚糖（β-glucan）、卡介苗（BCG）和麻腮风（MMR）疫苗）、代谢副产物（如甲羟戊酸（mevalonate）和乳酸（lactate））以及细胞因子如白细胞介素-1β（IL-1β）。这些因子激活Akt/mTOR/HIF-1α等信号通路，并通过组蛋白修饰（如H3K4me3和H3K9me3）介导染色质重塑。免疫代谢（immunometabolism）发挥关键作用，训练后的细胞转向糖酵解（glycolysis）、谷氨酰胺分解（glutaminolysis）和胆固醇合成。乳酸和富马酸（fumarate）进一步将代谢与表观遗传重塑联系起来。值得注意的是，训练免疫在感染性疾病中具有保护作用，在非感染性情境中亦有益处，如癌症免疫治疗和自身免疫调控。本综述全面概述了训练免疫的细胞、表观遗传和代谢机制，重点阐明固有免疫细胞如何在独立于适应性免疫的情况下获得记忆样特性。本研究还为利用训练免疫进行疫苗开发、感染控制和非感染性疾病免疫调节提供了治疗潜力的见解。

论文主体内容总结

1 引言

训练免疫是固有免疫系统通过表观遗传重编程引起的基因表达长期改变而获得的功能性重塑状态。哺乳动物的固有免疫包含对既往暴露的记忆，部分由染色质结构的表观遗传变化驱动，且该记忆的形成不依赖B和T细胞，已在缺乏功能性适应性免疫细胞的小鼠中得到验证。与B/T细胞介导的可提供终身抗原特异性免疫记忆的适应性免疫不同，训练免疫通常产生非特异性增强反应，持续数周至数月；在某些情况下，造血干细胞和祖细胞（HSPCs）的表观遗传重编程可使功能变化维持长达一年或更久。训练免疫的建立始于初始刺激激活代谢通路，进而触发持续性表观遗传改变，使细胞对后续刺激产生更强反应。缺乏B和T细胞免疫的物种（如昆虫）亦可通过表观遗传机制介导免疫记忆。训练免疫可增强固有免疫应答，改善感染保护并提升某些疫苗的有效性。微生物产物暴露可诱导固有白细胞发生持久的代谢和表观遗传重编程，在初始激活消退后对后续异源刺激产生增强反应。训练免疫已在HIV感染者、COVID-19康复者、恶性疟原虫感染和锥虫病感染等多种情境中被观察到。BCG、MMR及SARS-CoV-2 mRNA疫苗等均被鉴定为训练免疫的诱导物。微生物组分如β-葡聚糖、真菌几丁质和肺炎链球菌内肽酶O同样可作为训练刺激物。大肠杆菌感染可通过组蛋白修饰触发表观遗传改变，导致尿路上皮干细胞重塑并增强对后续感染的固有免疫训练。本研究旨在探讨训练免疫的机制和诱导物，重点关注微生物暴露及其组分如何通过代谢和表观遗传修饰诱导固有免疫细胞的长期功能重编程，以及这些变化如何增强宿主对后续感染的防御。

2 方法

研究人员对PubMed、Scopus、Web of Science、PubMed Central（PMC）、Cochrane Library和Google Scholar等多个研究数据库进行了全面电子检索，使用"训练免疫"或"固有免疫记忆"、"免疫代谢"、"表观遗传改变"、"疫苗"和"微生物组分"等特定关键词。非英文撰写的文章未纳入。纳入标准虽未设定具体时间范围，但优先考虑较新的研究。此外进行了手动检索以确保覆盖全面，所有文章均先经相关性初步筛选。

3 表观遗传改变诱导免疫细胞训练免疫

3.1 造血干细胞和祖细胞

感染史可在造血干细胞（HSCs）中表观遗传记录，作为固有免疫系统的核心记忆功能。脂多糖（LPS）暴露诱导HSCs中髓系谱系基因增强子可及性的持续性改变，使这些基因在二次刺激时产生增强反应。COVID-19后HSPCs的固有免疫和表观遗传变化可持续长达1年，早期白细胞介素-6（IL-6）信号驱动人类患者和小鼠冠状病毒模型的长期效应。BCG疫苗是最广泛研究的训练免疫诱导物之一，其激活固有免疫细胞和HSPCs上的模式识别受体（PRRs），导致代谢和表观遗传重编程，增强对同源和异源病原体的后续反应。与初始巨噬细胞相比，BCG刺激的HSPCs产生的表观遗传重编程巨噬细胞对毒力结核分枝杆菌（MTB）感染提供显著增强的保护。BCG接种的人类中，分化祖细胞表现出持久的染色质可及性变化，与外周血单个核细胞（PBMCs）中IL-1β产生增强相关。HSC介导的训练免疫不仅限于BCG诱导的反应，还赋予针对无关病原体的异源保护。间充质干细胞（MSC）来源的旁分泌信号可启动HSCs增强紧急粒细胞生成，并建立H3K4me3活性标记。β-葡聚糖处理小鼠导致早期髓系祖细胞扩增和IL-1β及粒细胞-单核细胞集落刺激因子（GM-CSF）水平升高。微生物代谢物间苯三酚通过芳烃受体（AhR）在造血祖细胞中诱导持久表观遗传改变。

3.2 单核细胞

单核细胞依赖性训练免疫已在体内和体外实验中得到证实。恒河猴静脉注射BCG增加单核细胞固有细胞因子产生，伴随H3K27乙酰化改变。β-葡聚糖训练单核细胞产生独特的表观遗传特征，揭示支持持续功能编程的增强子和启动子网络。该过程依赖dectin-1受体和非经典Raf-1信号通路。β-葡聚糖可逆转LPS诱导的单核细胞耐受，通过修饰先前无反应基因的启动子和增强子位点组蛋白实现。β-葡聚糖训练的单核细胞通过促进IL-32产生增强对巴西利什曼原虫感染的保护。组蛋白甲基转移酶G9a介导H3K9me从而抑制基因表达，抑制G9a可诱导单核细胞训练免疫。维生素A代谢物通过增加SUV39h2表达促进抑制性H3K9me3积累，抑制BCG诱导训练后的细胞因子产生。

3.3 巨噬细胞

表观遗传重塑是训练免疫塑造巨噬细胞功能的核心机制。记忆巨噬细胞在再刺激时表现出增强的主要组织相容性复合体II类（MHC II）表达、防御就绪基因谱、增强的糖酵解活性和中性粒细胞趋化因子产生。这些功能适应伴随广泛的DNA甲基化变化，特别是信号通路、细胞重组和运动性相关基因的低甲基化。β-葡聚糖诱导的巨噬细胞训练依赖DNA修复酶O⁶-甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶（MGMT），MGMT破坏通过mTOR信号改变抑制训练表型。志贺菌训练的巨噬细胞经历H3K4甲基化变化，促进TNF-α和活性氧（ROS）产生增加。既往布氏锥虫感染诱导Kupffer细胞（KCs）及其微环境的持久表观遗传和转录重塑。由甘露聚糖、氢氧化铝和单磷酰脂质A（MPLA）组成的无蛋白疫苗可独立于适应性免疫细胞保护小鼠免受多种耐药细菌和真菌病原体感染。BCG接种通过增加H3K4me3和H3K27Ac、减少H3K9me3增强新生小鼠巨噬细胞记忆，并通过肠道微生物组重塑间接支持记忆巨噬细胞的发育和维持。

3.4 中性粒细胞

BCG接种通过增强中性粒细胞功能和扩增中性粒细胞群体促进非特异性保护，这些效应在健康个体中持续至少3个月，伴随全基因组表观遗传重塑包括H3K4me3增加。BCG促进粒细胞-巨噬细胞祖细胞（GMPs）扩增，增加CD11b⁺Gr1⁺髓系细胞数量，增强脓毒症期间氧化代谢和T细胞增殖。β-葡聚糖改变鲶鱼中性粒细胞的组蛋白修饰模式，包括H3K4甲基化和H3K27乙酰化及三甲基化。低剂量LPS（10 pg/mL）增强中性粒细胞体外训练，增加吞噬活性、LFA-1和CD11a表达及迁移能力。硬骨鱼中β-葡聚糖训练的中性粒细胞表现出依赖IL-1受体（IL-1R）信号的增强细菌清除。志贺菌暴露通过在中性粒细胞1612个基因启动子上沉积H3K4me3活性标记重塑表观遗传景观。鉴于中性粒细胞寿命较短，其可能通过骨髓祖细胞的中央训练获得持久免疫记忆。

3.5 NK细胞

BCG接种后人类NK细胞表现出记忆样反应，在长达3个月内对分枝杆菌和无关病原体刺激产生升高的促炎细胞因子。BCG诱导的KLRG1⁺ NK细胞比KLRG1^?对应细胞产生显著更多的IFN-γ。SIV和HIV疫苗可诱导黏膜记忆样NK细胞。单细胞RNA测序结合Total Seq技术鉴定出具有训练免疫特征的人类NK细胞前体亚群，其特征为CD57阴性表达，NKG2A、EZH2、IFNG、MKI67、IL12R、IL15R和IL18R阳性表达。EZH2阳性NK细胞表现出加速细胞周期和更明显的训练免疫表型。

4 γδ T细胞中的训练免疫证据

γδ T细胞是兼具固有和适应性免疫系统特征的独特T细胞亚群。BCG疫苗重编程γδ T细胞，增加其对LPS和白色念珠菌等多种细菌和真菌刺激的反应，疫苗接种后数周TNF和IFN-γ产生持续增加。BCG训练的牛γδ T细胞在LPS或Pam3CSK4刺激后产生更多IL-6和TNF-α，并显示固有免疫基因启动子可及性增加。MMR疫苗通过单细胞RNA测序显示诱导健康成人γδ T细胞转录变化，以TNF-α和IFN-γ产生增加及代谢通路上调为特征。

5 诱导免疫细胞训练免疫的代谢通路和代谢物

固有免疫细胞通过免疫代谢调控获得固有免疫记忆特征。BCG诱导训练免疫的代谢物富集分析显示三羧酸（TCA）循环、谷氨酰胺和牛磺酸代谢显著参与。BCG诱导的训练免疫依赖Akt/mTOR信号，涉及巨噬细胞糖酵解和谷氨酰胺驱动的TCA循环活性增加。高血糖通过糖酵解增强糖尿病小鼠巨噬细胞的训练免疫。甲羟戊酸通路通过胆固醇生物合成支持单核细胞训练，升高的细胞内甲羟戊酸激活IGF1-R和mTOR信号导致组蛋白修饰。BCG诱导训练免疫的组蛋白修饰和功能适应关键依赖糖酵解、谷氨酰胺代谢和胆固醇产生的代谢转变。训练的单核细胞优先利用乳酸而非葡萄糖进行TCA循环，增加的细胞乳酸水平通过组蛋白乳酸化增加染色质可及性。RORα激活通过减少BCG训练细胞中ROS和乳酸产生抑制训练免疫。mTORC2和己糖激酶1（HK-1）驱动的有氧糖酵解重编程诱导肺驻留记忆巨噬细胞。靶向关键糖酵解酶的药理学和遗传学方法抑制BCG诱导的训练免疫。亚油酸代谢与BCG诱导的训练免疫相关。β-葡聚糖训练单核细胞激活谷氨酰胺分解通路产生富马酸，富马酸通过抑制赖氨酸脱甲基酶5（KDM5）驱动单核细胞表观遗传重编程。脂肪酸氧化和谷氨酰胺分解受抑制时巨噬细胞训练效益显著降低。Set7调控β-葡聚糖诱导的单核细胞训练免疫，维持氧化磷酸化的代谢灵活性和固有免疫记忆。谷胱甘肽代谢基因的单核苷酸多态性（SNPs）与人类单核细胞促炎细胞因子产生改变相关。

6 训练免疫相关的基因表达动态和生物标志物

固有免疫训练以协调的髓系细胞重编程为特征，包括骨髓生成、基因表达调节和对后续无关刺激的增强反应。BCG接种婴儿在Pam3Cys、金黄色葡萄球菌和热灭活白色念珠菌刺激后呈现升高的EGF、IL-6和PDGF-AB/BB水平，NK细胞CD69表达显著增加。BCG接种婴儿中性粒细胞计数增加，血清α-1抗胰蛋白酶水平升高。血浆谷胱甘肽水平与BCG接种后单核细胞IL-1β产生正相关。BCG接种后90天单核细胞/巨噬细胞中持续的H3K18乳酸化提示其可作为固有免疫记忆的表观遗传标志物。BCG接种个体的胞壁酰二肽（MDP）浓度影响训练免疫强度。LPS诱导的短期免疫信号促进C/EBPβ依赖性染色质重塑导致HSC训练免疫。糖尿病小鼠的BMDMs和HSCs表现出富含Runx1及其靶基因的开放染色质结构。β-葡聚糖训练的人类单核细胞表现出葡萄糖摄取增加、乳酸产生升高和高NAD⁺/NADH比值。恶性疟原虫刺激的PBMCs增强反应性与关键免疫代谢基因启动子处H3K4me3标记升高相关。

7 训练免疫与非感染性疾病

BCG诱导的训练免疫通过训练巨噬细胞增强肿瘤特异性CTL活性，并通过训练树突细胞改善抗原摄取、呈递和CTL增殖增强抗肿瘤适应性反应。β-葡聚糖诱导的训练免疫通过ROS依赖机制赋予强效抗肿瘤效应。β-葡聚糖预处理显著减少小鼠黑色素瘤和膀胱癌模型中的肿瘤生长，促进CCR2依赖性单核细胞/巨噬细胞募集至胰腺并获得增强的细胞毒性。流感诱导的肺泡巨噬细胞训练维持吞噬活性并增强肺转移小鼠模型的抗肿瘤免疫反应。脓毒症诱导的巨噬细胞训练强化局部细胞因子和趋化因子网络，促进T细胞组织驻留并降低小鼠数月内癌症风险。肝片吸虫分泌产物将HSC和单核细胞前体重编程为抗炎状态，减少炎症和自身免疫易感性。训练免疫相关转录程序存在于动脉粥样硬化、溃疡性结肠炎、COVID-19和脓毒症等炎症和免疫介导疾病中，可能促成过度炎症和组织损伤。

8 细胞因子信号在训练免疫中的作用

细胞因子信号是训练免疫的基本调控因素。IL-25预处理诱导肠道簇细胞免疫记忆，通过上调SAT1减少肠病毒复制所需多胺的可用性。IL-1β在体外诱导人类骨髓来源造血祖细胞（HPCs）的训练免疫。临床试验将单核细胞IL-1β表达增加与BCG诱导的减毒黄热病毒感染保护相关联。缺乏IL-1受体的小鼠无法发展β-葡聚糖诱导的MTB感染保护。IL-38通过抑制mTOR信号和相关表观遗传修饰负调控IL-1β依赖性训练免疫。IFN-γ训练HSPCs产生代谢活性增强和杀菌能力改善的巨噬细胞。CD8⁺ T细胞来源的IFN-γ启动小鼠肺泡巨噬细胞的记忆样反应。BCG诱导的训练免疫涉及单核细胞和CD8⁺ T细胞之间的活性串扰。仅IL-12、IL-15和IL-18联合刺激而非任何细胞因子对训练CD3⁺CD56⁺ NKT细胞表现出增加的IFN-γ和TNF-α产生及增殖能力。动物模型中不同训练剂的保护作用已在多种情境中得到验证。

9 训练免疫反应的调控机制

固有免疫记忆可增强或抑制后续反应，取决于初始刺激的强度和持续时间。小胶质细胞中免疫代谢重编程呈剂量依赖性，低剂量LPS（1 fg/mL）诱导训练免疫，高剂量（100 ng/mL）抑制氧消耗和糖酵解导致免疫耐受。β-葡聚糖可逆转LPS耐受基因的表观遗传修饰，恢复训练免疫反应。微生物诱导的单核细胞急性激活启动衣康酸通路导致免疫耐受，β-葡聚糖通过抑制IRG1表达抵消此效应。BCG或β-葡聚糖通过IFN-II或IL-1信号重编程骨髓HSCs，而MTB通过I型IFN反应重定向HSC功能，减少骨髓生成并破坏针对MTB的保护性训练免疫形成。MTB抗原Rv1471通过激活Akt-mTOR-HIF-1α信号通路和促进有氧糖酵解在巨噬细胞中触发固有免疫记忆。miR-9-5p促进β-葡聚糖诱导单核细胞训练期间的代谢重编程，缺乏miR-9-5p的训练单核细胞在LPS刺激后产生较低水平的IL-1β、IL-6和TNF-α。醛固酮促进关键脂肪酸合成基因启动子处H3K4me3活性标记富集。BCG诱导的HSPCs转录程序由肝细胞核因子1α和1β调控，接种后3个月外周CD14⁺单核细胞呈现活化特征。

10 结论与未来展望

训练免疫代表免疫学中的范式转变，揭示固有免疫细胞可通过代谢和表观遗传重编程获得记忆样特性。改变代谢通路可能代表增强疫苗效力和训练免疫反应的新方法。这一现象增强宿主对感染和疫苗的防御，提供针对无关病原体的交叉保护。来自多种细胞类型的证据凸显其广泛相关性。理解训练免疫的分子驱动因素，包括关键信号通路和代谢转变，为设计有效疫苗、免疫疗法以及针对抗菌素耐药性、癌症和炎症性疾病的干预措施开辟了新途径。