综述：三羧酸（TCA）循环酶α-酮戊二酸脱氢酶（KGDH）作为巨噬细胞极化调控的枢纽

《Journal of Cellular Biochemistry》：Tricarboxylic Acid (TCA) Cycle Enzyme Alpha-Ketoglutarate Dehydrogenase (KGDH) as a Nexus for the Regulation of Macrophage Polarization

　　

近年来，巨噬细胞代谢因其作为多种病理治疗靶点的潜力而受到越来越多的研究。在本文中，研究人员提出，三羧酸（TCA）循环酶α-酮戊二酸（KG）脱氢酶（KGDH）作为调节巨噬细胞向促炎（M1）或抗炎（M2）表型极化的枢纽。这是通过调节线粒体过氧化氢（mtH₂O₂）以及TCA循环代谢物KG和琥珀酸（这些重要的免疫调节分子）的可用性来实现的。研究人员讨论了表明KGDH是多种细胞类型中mtH₂O₂有效来源的证据，以及它如何利用这种活性氧（ROS）来调节参与巨噬细胞分化的信号通路。与此相关，研究人员描述了新兴证据表明KG和琥珀酸在巨噬细胞中发挥相反的信号效应，前者诱导抗炎表型，后者（琥珀酸）促进炎症。这是通过调节参与缺氧信号和表观遗传编程的双加氧酶以及琥珀酸激活G蛋白偶联受体91（GPR91）来实现的。重要的是，研究人员认为，调节KGDH会影响这两种代谢物的可用性，这与控制mtH₂O₂的可用性一起，有助于控制巨噬细胞极化。总的来说，已知增加的mtH₂O₂生成和琥珀酸会诱导促炎表型，而低mtH₂O₂和高KG则产生相反效果。这表明KGDH通过控制这些免疫调节代谢物的可用性，是巨噬细胞极化的关键调节因子。

1 引言
巨噬细胞广泛分布于血液和组织中，承担免疫防御和组织重塑等职能。其功能多样性主要依赖于异质性，可极化为促炎（M1）和抗炎（M2）两种亚型。M1细胞具有高杀菌活性，产生活性氧（ROS）和一氧化氮（NO）以清除病原体；M2细胞参与抗炎反应和组织修复。M1/M2平衡失调可导致组织损伤和慢性炎症。近年来，研究表明三羧酸（TCA）循环代谢物如琥珀酸和α-酮戊二酸（KG）在巨噬细胞极化中发挥关键免疫调节作用。琥珀酸促进M1表型，而KG诱导M2极化。此外，线粒体过氧化氢（mtH₂O₂）也参与极化调控。α-酮戊二酸脱氢酶（KGDH）作为TCA循环酶，既是mtH₂O₂的强效来源，又通过调节KG/琥珀酸比例影响极化。本文提出KGDH是巨噬细胞极化的调控枢纽。

2 H₂O₂是M1极化所必需的
2.1 H₂O₂如何协调巨噬细胞极化？
H₂O₂作为第二信使，通过可逆氧化蛋白质半胱氨酸硫醇（形成亚磺酸，SOH）来传递信号。低浓度H₂O₂（1-100 nM）促进M1极化，而高浓度则导致氧化损伤。H₂O₂通过抑制磷酸酶（如PTEN、DUSP、PP2A、PTP）延长NF-κB、MAPK（p38、ERK、JNK）和STAT1等促炎信号通路，从而增强M1极化。此外，H₂O₂在某些微环境（如肿瘤）中也可能促进M2极化，显示其作用的复杂性。

2.2 哺乳动物细胞中H₂O₂的来源和清除
哺乳动物细胞中有超过60种ROS生成位点，其中16种位于线粒体。主要来源包括NADPH氧化酶（NOX）、TCA循环酶（如丙酮酸脱氢酶PDH和KGDH）、电子传递链（ETC）复合体I、II、III以及内质网氧化还原酶1（ERO1）等。超氧阴离子（O₂•^?）由超氧化物歧化酶（SOD）迅速转化为H₂O₂，后者再被谷胱甘肽（GSH）、硫氧还蛋白（TRX）和过氧化氢酶系统清除。H₂O₂因其相对稳定性和膜通透性（通过水通道蛋白AQP）成为理想的氧化应激信号分子。

2.3 NADPH氧化酶（NOX）是巨噬细胞中关键的H₂O₂来源
NOX家族包括NOX1-5和DUOX1/2，其中NOX1、NOX2和NOX4与巨噬细胞极化相关。NOX1和NOX2主要位于质膜和吞噬体膜，NOX4位于内质网和线粒体。NOX通过产生O₂•^?（DUOX直接产生H₂O₂）参与M1极化，但研究显示NOX1/2缺失时仍可发生M1极化，提示其他ROS来源（如线粒体）的重要性。

2.4 M1巨噬细胞极化依赖于线粒体H₂O₂产生
线粒体有16个O₂•^?/H₂O₂生成位点，传统认为ETC复合体I和III是主要来源。然而，近期研究显示KGDH等非传统来源在mtH₂O₂产生中占主导地位。例如，在小鼠肝线粒体和Huh-7、HepG2细胞中，KGDH贡献了大部分mtH₂O₂。LPS刺激巨噬细胞后，复合体I通过反向电子传递（RET）从琥珀酸产生mtH₂O₂，促进NLRP3炎症小体组装和M1极化。此外，复合体III产生的O₂•^?也参与M2极化中IL-10的诱导。

3 巨噬细胞极化依赖于代谢重构
TCA循环的代谢流重构是巨噬细胞极化的关键。M1细胞主要依赖糖酵解满足能量需求，而M2细胞依赖氧化磷酸化（OxPhos）和脂肪酸氧化（FAO）。M1极化中，LPS和IFN-γ诱导代谢从OxPhos转向糖酵解，同时激活戊糖磷酸途径产生NADPH用于NOX和iNOS。TCA循环被重构以产生免疫代谢物：琥珀酸、KG、衣康酸等。这些代谢物通过调控缺氧信号、表观遗传和G蛋白偶联受体（如GPR91）来影响极化方向。

4 琥珀酸是一种促进M1极化的免疫代谢物
4.1 通过氧化还原信号和琥珀酸积累控制琥珀酸可用性
琥珀酸可由内源性代谢（如TCA循环、谷氨酰胺分解、GABA途径）或外源性来源（饮食、肠道菌群、组织）产生。在缺氧条件下，琥珀酸通过SDH逆向反应、谷氨酰胺依赖的cataplerosis和GABA途径积累。M1极化中，TCA循环的IDH和SDH活性中断导致柠檬酸和琥珀酸积累。衣康酸作为SDH抑制剂，进一步促进琥珀酸积累。

4.2 琥珀酸积累增强mtH₂O₂生成
琥珀酸通过SDH氧化，将电子注入ETC的辅酶Q（CoQ）池，可驱动复合体I的RET，产生大量O₂•^?，进而转化为H₂O₂。增加的mtH₂O₂通过抑制磷酸酶延长NF-κB、STAT1、STAT5和ERK信号，促进M1极化。此外，H₂O₂还能抑制脯氨酰羟化酶（PHD）稳定HIF-1α，并可能抑制JMJD3和TET酶的活性。

4.3 琥珀酸抑制双加氧酶，促进缺氧信号和表观遗传调控
琥珀酸是KG依赖的双加氧酶（2OGDD）的产物，高浓度琥珀酸竞争性抑制这些酶，包括PHD、TET和JMJD3。PHD抑制导致HIF-1α稳定，诱导糖酵解基因表达，促进M1极化。TET和JMJD3抑制影响DNA和组蛋白甲基化状态，从而调控表观遗传。衣康酸也被发现抑制TET，调节炎症反应。

4.4 琥珀酸通过GPR91促进M1极化
琥珀酸作为配体激活G蛋白偶联受体91（GPR91，又称SUCNR1），通过Gq和Gi蛋白激活蛋白激酶C-MAPK级联反应，并抑制cAMP-PKA通路，从而促进M1极化。但GPR91在某些情况下也可诱导M2极化，具体作用取决于细胞亚型和微环境。

4.5 琥珀酰化对M1巨噬细胞代谢模式转变的贡献
KGDH产物琥珀酰辅酶A（succinyl-CoA）介导的蛋白质赖氨酸琥珀酰化是一种翻译后修饰（PTM）。琥珀酰化调控TCA循环和ETC酶活性，促进糖酵解抑制OxPhos，从而支持M1极化。脱琥珀酰化由SIRT5等去乙酰化酶催化，产物进一步代谢为琥珀酸。

5 KG促进M2特征，对抗琥珀酸的促炎效应
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