mRNA-seq在研究炎性巨噬細(xì)胞活化和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎治療方法中的應(yīng)用

期刊：MedComm (2020)
影響因子：9.9
伯豪產(chǎn)品服務(wù)：mRNA-seq

導(dǎo)讀
在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(RA)的發(fā)病機(jī)制中，炎癥巨噬細(xì)胞的表觀遺傳調(diào)控控制炎癥的發(fā)生和消退。然而，巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎損傷的機(jī)制在很大程度上仍然不清楚。本研究發(fā)現(xiàn)，在RA患者和實(shí)驗(yàn)性關(guān)節(jié)炎小鼠中，滑膜組織中賴氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶2A (KAT2A)的表達(dá)增加與炎癥性關(guān)節(jié)免疫病理密切相關(guān)。MB-3 (KAT2A特異性化學(xué)抑制劑)可顯著改善膠原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎模型中的滑膜炎和骨破壞。藥理抑制和siRNA沉默KAT2A不僅抑制了先天刺激觸發(fā)的促炎基因(如Il1b和Nlrp3)的轉(zhuǎn)錄，而且在體內(nèi)和體外也破壞了Nlrp3炎性體的激活。機(jī)制上，KAT2A通過抑制NRF2活性及下游抗氧化分子促進(jìn)巨噬細(xì)胞糖酵解重編程，支持H3K9ac，限制NRF2介導(dǎo)的促炎基因轉(zhuǎn)錄抑制。靶向KAT2A代表了RA和相關(guān)炎性疾病患者的潛在治療方法。

研究技術(shù)
mRNA-seq

技術(shù)路線圖

研究結(jié)果
1. 在人和小鼠中，KAT2A表達(dá)的增加與關(guān)節(jié)炎癥有關(guān)
收集了健康對照、穩(wěn)定型RA (SRA)患者、活動(dòng)性RA (ARA)患者的PBMC樣本，并分析了KAT2AmRNA的表達(dá)情況。RA患者，尤其是ARA患者的KAT2A mRNA水平顯著高于健康對照。KAT2A mRNA水平較高的RA患者，IL1B的表達(dá)水平也相應(yīng)較高。通過免疫組化(IHC)進(jìn)一步分析骨關(guān)節(jié)炎(OA)和RA樣本滑膜組織中KAT2A的表達(dá)，直接證實(shí)了RA患者炎癥膝關(guān)節(jié)中KAT2A表達(dá)升高。

接下來建立了CIA模以評估小鼠滑膜組織中KAT2A表達(dá)的變化。隨著關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展，CIA模型滑膜組織樣品中KAT2A mRNA和蛋白的表達(dá)均顯著升高，與人類RA患者的現(xiàn)象一致。關(guān)節(jié)炎誘導(dǎo)后CIA模型滑膜巨噬細(xì)胞中KAT2A的mRNA表達(dá)明顯增高。此外，KAT2A的表達(dá)與關(guān)節(jié)炎小鼠滑膜巨噬細(xì)胞中Il1b的表達(dá)和臨床評分有很強(qiáng)的相關(guān)性。這些數(shù)據(jù)表明，無論是在RA患者還是小鼠CIA模型中，KAT2A的表達(dá)都與關(guān)節(jié)炎癥呈正相關(guān)。

Fig 1. 在RA患者和CIA模型小鼠中，KAT2A表達(dá)升高與關(guān)節(jié)炎癥有顯著相關(guān)性

2. KAT2A抑制劑改善關(guān)節(jié)炎的炎癥病理
給CIA模型小鼠注射選擇性KAT2A酶抑制劑MB-3。MB-3顯著抑制炎癥性關(guān)節(jié)炎的發(fā)展，治療小鼠的臨床評分較低，關(guān)節(jié)腫脹較輕。microCT顯示MB-3減輕了指指骨和腕關(guān)節(jié)的骨侵蝕程度，從而改善了骨密度和骨體積。此外，膝關(guān)節(jié)組織學(xué)分析顯示，給藥MB-3后CIA模型小鼠關(guān)節(jié)囊腫脹減輕，滑膜增生減輕，膝關(guān)節(jié)炎癥細(xì)胞浸潤減少。Safranin O染色發(fā)現(xiàn)，KAT2A抑制也抑制了CIA小鼠膝關(guān)節(jié)軟骨的破壞。以上數(shù)據(jù)表明，抑制KAT2A可顯著減輕關(guān)節(jié)炎的病理損傷，提示KAT2A是關(guān)節(jié)炎的關(guān)鍵致病因子。

Fig 2. KAT2A抑制劑可減輕CIA模型小鼠的炎癥病理和組織損傷

3. KAT2A抑制劑抑制CIA模型小鼠炎癥和免疫紊亂
免疫失調(diào)在很大程度上決定了RA的發(fā)病機(jī)制。對照組CIA小鼠的病理性脾腫大在MB-3給藥后得到改善，這表明KAT2A抑制可能直接影響CIA模型的炎癥病。分析了血清中促炎細(xì)胞因子的分泌。給藥MB-3的CIA小鼠血清中IL-1β、IL-6和TNF-α濃度顯著降低。MB-3處理的CIA小鼠中，CD4+和CD8+高表達(dá)CD44的T細(xì)胞群減少。CIA模型小鼠發(fā)現(xiàn)MB-3給藥大大降低了Th1和Th17細(xì)胞的頻率。在MB-3處理小鼠的脾臟和pln發(fā)現(xiàn)Tregs頻率增加。KAT2A抑制顯著降低了CIA模型小鼠脾臟中 Tfh細(xì)胞的數(shù)量。KAT2A抑制通過抑制促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生和糾正隨后的T淋巴細(xì)胞失衡來改善RA的免疫損傷。

Fig 3. KAT2A抑制劑改善CIA模型小鼠的炎癥和免疫紊亂

4. KAT2A抑制劑在體內(nèi)控制脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的全身炎癥
通過腹腔注射LPS建立了不依賴于適應(yīng)性免疫細(xì)胞的急性全身炎癥模型，LPS觸發(fā)先天免疫系統(tǒng)，特別是巨噬細(xì)胞的激活，包括促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生以及炎癥細(xì)胞的浸潤。MB-3預(yù)處理改善了LPS誘導(dǎo)的內(nèi)毒素休克模型肺組織的炎癥損傷，改善了炎癥細(xì)胞浸潤和出血的病理改變，MB-3預(yù)處理導(dǎo)致內(nèi)毒素休克模型血清細(xì)胞因子IL-1β、IL-6、TNF-α濃度大幅降低。腹腔注射LPS可觸發(fā)由炎性巨噬細(xì)胞及其分泌促炎細(xì)胞因子驅(qū)動(dòng)的腹膜炎模型。通過流式細(xì)胞術(shù)分析腹膜細(xì)胞群，發(fā)現(xiàn)MB-3預(yù)處理抑制LPS小鼠腹腔內(nèi)F4/80+CD11b+巨噬細(xì)胞的浸潤。MB-3抑制KAT2A通過調(diào)節(jié)先天免疫細(xì)胞的效應(yīng)功能，在體內(nèi)限制LPS誘導(dǎo)的全身性炎癥。

5. NLRP3炎性體啟動(dòng)需要KAT2A
通過RNA-seq分析了LPS在DMSO或MB-3處理的小鼠骨髓源性巨噬細(xì)胞（BMDMs）中誘導(dǎo)的全局基因表達(dá)譜。KAT2A抑制導(dǎo)致促炎基因的大量減少。與DMSO處理的BMDM相比，MB-3處理導(dǎo)致RA功能基因的顯著表達(dá)差異，這與體內(nèi)CIA模型的結(jié)果一致。MB-3處理介導(dǎo)的差異表達(dá)基因也在NLRP3炎癥小體通路中富集。KEGG通路顯示，上調(diào)基因在NF-κB信號、nod樣受體信號、細(xì)胞因子-細(xì)胞因子受體和RA中富集。

MB-3處理抑制LPS誘導(dǎo)的IL-1β和NLRP3基因轉(zhuǎn)錄呈劑量依賴性，免疫印跡分析也證實(shí)了這一點(diǎn)。MB-3處理也抑制了不同LPS刺激時(shí)間下IL-1β和NLRP3 mRNA和蛋白的表達(dá)水平。MB-3對IL-6的轉(zhuǎn)錄和分泌具有抑制作用，這也證實(shí)了RNA-seq的結(jié)果。用特異性siRNA沉默KAT2A可顯著抑制IL- 1β和NLRP3的誘導(dǎo)表達(dá)。為了深入研究KAT2A的功能，利用另外兩種KAT2A特異性抑制劑CPTH2和PU139來觀察它們對巨噬細(xì)胞活化的影響。這兩種抑制劑的治療都抑制了脂多糖誘導(dǎo)的BMDMs中Il1b和Nlrp3的轉(zhuǎn)錄，免疫印跡實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)。CPTH2或PU139對KAT2A的藥理學(xué)抑制也會(huì)抑制NLRP3炎癥小體的啟動(dòng)。KAT2A通過LPS刺激促進(jìn)Il1b和Nlrp3的誘導(dǎo)表達(dá)，這對于NLRP3炎性小體的體外啟動(dòng)是必不可少的。

Fig 4. 在啟動(dòng)階段，NLRP3炎性體的激活需要KAT2A
 

Fig 5. KAT2A促進(jìn)NLRP3炎性體組裝和IL-1β加工

7. KAT2A通過抑制NRF2通路支持炎性巨噬細(xì)胞的代謝重編程
MB-3處理顯著抑制LPS刺激BMDMs的細(xì)胞ROS生成。巨噬細(xì)胞通過代謝重編程來促進(jìn)巨噬細(xì)胞效應(yīng)功能，以應(yīng)對各種炎癥刺激。在LPS激活的巨噬細(xì)胞中，TCA明顯斷裂導(dǎo)致線粒體呼吸受損和糖酵解增強(qiáng)。LPS刺激導(dǎo)致ATP和乳酸的產(chǎn)生增加，而MB-3處理則降低了ATP和乳酸的產(chǎn)生，表明LPS觸發(fā)的線粒體呼吸向厭氧糖酵解的轉(zhuǎn)換受到MB-3的破壞。通過直接測定LPS刺激的巨噬細(xì)胞在處理或不處理MB-3的情況下的細(xì)胞外酸化率(ECAR)來評估細(xì)胞糖酵解水平。結(jié)果顯示，MB-3治療顯著降低了巨噬細(xì)胞的基礎(chǔ)和最大ECAR，證實(shí)了MB-3治療后糖酵解水平受。

為了揭示KAT2A對巨噬細(xì)胞代謝重編程的潛在機(jī)制，重新分析了MB-3或DMSO預(yù)處理的LPS活化BMDM的RNA-seq數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)差異表達(dá)基因在NRF2通路中富集， MB-3處理的BMDM中，許多上調(diào)基因與NRF2功能和轉(zhuǎn)錄活性相關(guān)，與GSEA結(jié)果一致。MB-3處理誘導(dǎo)LPS激活的BMDM中NRF2蛋白表達(dá)上調(diào)。用特異性siRNA在BMDMs中沉默NRF2的表達(dá)，然后用MB-3處理NRF2沉默的BMDMs和對照BMDMs，研究NRF2參與IL-1β的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成。雖然MB-3對對照BMDMs有明顯的抑制作用，但對NRF2沉默BMDMs中NLRP3炎性小體的啟動(dòng)(包括NLRP3)和il -1β前蛋白的合成沒有影響。這些結(jié)果表明，MB-3對炎癥反應(yīng)的抑制作用依賴于NRF2的上調(diào)及其抗炎作用。
 

Fig 6. KAT2A介導(dǎo)的NRF2通路抑制允許炎癥巨噬細(xì)胞的代謝重編程

8. KAT2A協(xié)調(diào)組蛋白乙�；�與NRF2轉(zhuǎn)錄活性，用于Il1b和Nlrp3轉(zhuǎn)錄
分別轉(zhuǎn)染含有Il1b啟動(dòng)子、Nlrp3啟動(dòng)子或Tnf啟動(dòng)子的熒光素酶報(bào)告質(zhì)粒，進(jìn)行了雙熒光素酶報(bào)告基因檢測。MB-3劑量依賴性地抑制traf6誘導(dǎo)的Il1b和Nlrp3啟動(dòng)子激活，但對Tnf啟動(dòng)子激活影響不大。來自公共數(shù)據(jù)庫的ChIP-seq分析顯示，在LPS刺激的巨噬細(xì)胞中，NRF2特異性結(jié)合Il1b和Nlrp3的啟動(dòng)子，其中NRF2影響H3K9ac水平使用NRF2抗體或H3K9ac抗體進(jìn)行ChIP-qPCR檢測。作為陽性對照，MB-3處理顯著促進(jìn)了Nqo啟動(dòng)子上NRF2的富集。MB-3處理也增強(qiáng)了NRF2對Il1b和Nlrp3啟動(dòng)子的富集，表明NRF2轉(zhuǎn)錄抑制因子活性升。同時(shí)，使用H3K9ac抗體的ChIP-qPCR結(jié)果顯示，MB-3抑制KAT2A也降低了Il1b和Nlrp3啟動(dòng)子上的H3K9ac水平，表明MB-3處理介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄激活能力喪失。MB-3協(xié)調(diào)了受抑制的組蛋白H3K9ac修飾和NRF2轉(zhuǎn)錄抑制因子活性的增強(qiáng)，以控制Il1b和Nlrp3 mRNA的表達(dá)。KAT2A通過抑制NRF2介導(dǎo)的代謝重編程，驅(qū)動(dòng)炎性巨噬細(xì)胞NLRP3炎性小體的異常激活和IL-1β的過量產(chǎn)生，導(dǎo)致RA的進(jìn)行性關(guān)節(jié)損傷。
 

Fig 7. KAT2A協(xié)調(diào)組蛋白乙酰化和NRF2轉(zhuǎn)錄活性，促進(jìn)Il1b和Nlrp3的表達(dá)
 

Fig 8. KAT2A在炎性巨噬細(xì)胞表觀遺傳和代謝重編程中的圖示

參考文獻(xiàn)：
Zhang Y, Gao Y, Ding Y, Jiang Y, Chen H, Zhan Z, Liu X. Targeting KAT2A inhibits inflammatory macrophage activation and rheumatoid arthritis through epigenetic and metabolic reprogramming. MedComm (2020). 2023 Jun 11;4(3):e306. doi: 10.1002/mco2.306IF: 9.9 . PMID: 37313329; PMCID: PMC10258526.