牛磺酸通过NLRP3炎症小体调控巨噬细胞免疫代谢并抑制炎性衰老

《Cell》：Taurine lowers inflammaging by regulating the NLRP3 inflammasome in macrophages

　　

牛磺酸下降是否驱动衰老仍存争议；尽管其细胞内浓度高达毫摩尔级，但其作为胞质稳态潜在守护者的功能尚不清楚。研究人员发现，衰老可升高人和小鼠循环牛磺酸浓度。在老年小鼠中进一步提高牛磺酸可增强健康寿命，调动先前与年轻状态相关的抗炎通路，并降低脓毒症及炎症小体介导炎症所致死亡率，提示一种对衡稳态（enantiostasis）反应。机制上，多种NLRP3特异性“危险信号”诱导巨噬细胞牛磺酸外流，作为激活炎症小体及随之发生的细胞焦亡（pyroptosis）的近端步骤。巨噬细胞中牛磺酸恢复可阻止NLRP3诱导的反式高尔基体网络（trans-Golgi network, TGN）解体，从而抑制NLRP3炎症小体活化。相反，降低牛磺酸生物合成并伴随巨噬细胞中生物利用度降低会加剧炎症小体活化。在人类中，持续热量限制（caloric restriction, CR）升高脂肪组织牛磺酸，并伴随炎症降低。总之，研究人员将牛磺酸鉴定为连接危险感知与NLRP3炎症小体活化的免疫代谢流变器（immunometabolic rheostat），提示基于牛磺酸的策略可缓解炎性衰老（inflammaging）和炎症小体病（inflammasomopathies）。

研究背景：炎性衰老（inflammaging）部分由NLRP3炎症小体（NLRP3 inflammasome）活化驱动，NLRP3相关固有免疫通路随衰老上调，而caspase-1升高与哺乳动物衰老和死亡相关。牛磺酸是哺乳动物细胞中最丰富的两性离子磺酸氨基酸，但“牛磺酸下降驱动衰老”的观点受到后续研究挑战；牛磺酸在固有免疫生物学和炎性衰老机制中的作用仍不清楚。转硫途径（TSP）可合成牛磺酸，热量限制（CR）等延寿干预与TSP重塑相关，但牛磺酸如何调控固有免疫感知并重编程炎性衰老缺乏统一框架。为此，研究人员系统研究牛磺酸在巨噬细胞NLRP3炎症小体活化及炎性衰老中的作用，论文发表在《Cell》。

关键技术方法：研究使用Yale New Haven Hospital队列、Mayo Clinic队列及独立验证队列的人血清/血浆，NIA小鼠队列和CALERIE-II（NCT00427193）受试者皮下脂肪组织与血浆；采用UPLC-MS/LC-MS/MS、IC-MS检测牛磺酸及代谢物，内脏脂肪组织（VAT）基质血管组分（SVF）单细胞RNA测序（scRNA-seq）和人皮下脂肪组织RNA-seq；使用Nlrp3^?/?、Asc^?/?、Gsdmd^?/?、Nrf2^?/?、Cth^?/?、Slc6a6^?/?、Slc6a6^f/fLysMCre⁺、Csad^f/fLysMCre⁺、Cdo1^f/fLysMCre⁺及Nlrp3^L351P/Nlrp3^A350V巨噬细胞；开展骨髓来源巨噬细胞（BMDMs）炎症小体活化、ASC寡聚化、免疫印迹、ELISA/Luminex、LDH、ICP-MS测K⁺、TGN免疫荧光和透射电镜；体内采用LPS/ATP、MSU腹膜炎、LPS内毒素休克、甲型流感病毒（IAV）感染及无牛磺酸饮食模型。

研究结果：
（1）牛磺酸在人和小鼠中随年龄增加：通过LC-MS检测Yale、Mayo等队列血清/血浆及小鼠组织，发现老年人血清牛磺酸显著升高，小鼠老年血清及心、脾、肺、肾、肝、VAT和皮下脂肪组织牛磺酸升高，而血浆在年轻与老年间无显著差异；表明循环和组织牛磺酸随年龄增加。
（2）牛磺酸补充增强小鼠健康寿命并抑制炎性衰老：老年雄性小鼠口服牛磺酸4个月，血清和肝脏牛磺酸升高，葡萄糖稳态改善，转棒和握力增强；VAT SVF scRNA-seq显示脂肪干细胞和祖细胞、巨噬细胞及间皮细胞中TNF-α信号、干扰素反应、IL-6信号和补体级联等促炎通路下调，血清和肝脏IL-1β及肝脏IL-18、IL-6降低；表明牛磺酸减轻炎性衰老。
（3）巨噬细胞在NLRP3特异性危险信号下外流牛磺酸：BMDMs代谢组学及多种刺激显示，LPS+ATP、低渗应激、MSU结晶、C6-神经酰胺、尼日利亚菌素和imiquimod均诱导胞内牛磺酸快速外流，且先于IL-1β分泌；该外流不依赖NLRP3、ASC或GSDMD，也不依赖TLR预刺激，而AIM2、NLRC4和非经典炎症小体刺激不诱导；表明牛磺酸外流是NLRP3危险信号的共享上游反应。
（4）恢复巨噬细胞牛磺酸抑制NLRP3炎症小体活化：补充牛磺酸剂量依赖性抑制IL-1β分泌、caspase-1裂解、IL-18和LDH释放及ASC寡聚化，作用跨IAV、MSU、C6-神经酰胺等多种刺激，并在Nrf2缺失巨噬细胞中仍存在；表明牛磺酸恢复可抑制NLRP3炎症小体活化且不依赖Nrf2。
（5）牛磺酸抗炎症小体效应不依赖K⁺外流：ICP-MS测K⁺发现补充牛磺酸不影响K⁺外流，KCl恢复胞内K⁺或MCC950不阻止牛磺酸外流；尼日利亚菌素和K⁺非依赖的imiquimod模型中牛磺酸仍抑制IL-1β、caspase-1和GSDMD裂解；表明牛磺酸与K⁺外流是汇聚于NLRP3活化的独立调控通路。
（6）抑制牛磺酸外流保护低渗诱导的NLRP3活化：低渗应激诱导NLRP3依赖的IL-1β和牛磺酸外流，NaCl恢复等渗或补充牛磺酸可抑制caspase-1裂解、IL-1β分泌、ASC寡聚化和GSDMD裂解；表明牛磺酸外流连接胞质危险感知与NLRP3活化。
（7）恢复牛磺酸抑制NLRP3激活剂诱导的TGN解体：在Asc^?/?巨噬细胞中以TGN38和NLRP3成像，发现牛磺酸维持TGN整合，阻止LPS+ATP、尼日利亚菌素、低渗和imiquimod诱导的TGN解体，而次牛磺酸无效；表明牛磺酸维持TGN完整性这一NLRP3活化的上游步骤。
（8）牛磺酸不抑制NLRP3 priming、caspase-11、NLRC4或AIM2炎症小体活化：检测TNF-α、NF-κB及ERK/p38/JNK信号、poly(dA:dT)激活AIM2、胞内LPS激活非经典炎症小体和flagellin激活NLRC4，发现牛磺酸均无抑制作用；叶酸、甘氨酸、谷氨酰胺无效，缺乏–SO₃H的β-丙氨酸和GABA无效，而保留–SO₃H的同型牛磺酸抑制；表明牛磺酸以磺酸基团依赖方式选择性抑制NLRP3。
（9）牛磺酸在冷吡啉病模型和体内抑制NLRP3活化：在Nlrp3^L351P（FCAS）和Nlrp3^A350V（MWS）BMDMs中，牛磺酸抑制IL-1β、caspase-1和GSDMD裂解；LPS、MSU及LPS/ATP体内模型中牛磺酸降低IL-1β等细胞因子，并提高致死性内毒素休克生存率，与MCC950联用无额外保护；表明牛磺酸在冷吡啉病和体内抑制NLRP3。
（10）牛磺酸降低NLRP3活化不依赖经典转运体：Slc6a6^?/?、Slc36a1沉默及双缺失巨噬细胞中补充牛磺酸仍抑制NLRP3活化；Slc6a6^?/?小鼠仍吸收补充牛磺酸并降低LPS诱导IL-1β；Cth缺失不影响牛磺酸抑制作用；表明该效应不依赖SLC6A6、SLC36A1或TSP限速酶CTH。
（11）巨噬细胞牛磺酸限制增强NLRP3活化：髓系Csad或Cdo1缺失巨噬细胞在无牛磺酸培养时胞内牛磺酸降低，ATP、尼日利亚菌素、imiquimod和低渗诱导的IL-1β及caspase-1活化增强；无牛磺酸饮食的髓系Csad或Cdo1缺失小鼠LPS诱导血清IL-1β和IL-18升高；表明降低巨噬细胞牛磺酸使NLRP3反应敏化。
（12）热量限制人群牛磺酸升高与炎症降低相关：CALERIE-II纵向皮下脂肪组织代谢组和RNA-seq显示，1年CR升高次牛磺酸和牛磺酸及FMO1/2、CSAD表达，降低IL-18、ASC、NEK7等炎症小体基因和IL-1β诱导基因CCL13、TNFAIP6，牛磺酸合成酶与多个炎症小体通路基因负相关；表明CR诱导的脂肪组织牛磺酸与较低炎症相关。

讨论与结论：讨论指出，血清与血浆并非可互换基质；牛磺酸外流可视为对损伤相关分子模式（DAMPs）的感知，并与K⁺外流独立地汇聚于NLRP3活化，且涉及维持TGN完整性。经典牛磺酸转运体并非巨噬细胞抗炎症小体效应所必需，牛磺酸外流通道/转运体身份仍待明确；N-乙酰牛磺酸及随机对照试验是后续问题。研究结论可译为：衰老及CR诱导的代谢应激中牛磺酸升高可能是一种抑制炎性衰老并恢复稳态的适应性机制。