脂質(zhì)是必不可少的細(xì)胞成分，在細(xì)胞生物學(xué)的多個方面發(fā)揮作用。理論上，脂質(zhì)大約有10萬種，其中細(xì)胞內(nèi)存在數(shù)千種化學(xué)性質(zhì)不同的脂質(zhì)種類。脂質(zhì)的各種生物物理特性使膜能夠改變其形狀、厚度和順序。這些特性對于分裂、融合、出芽、成管和脂筏的形成是必不可少的。脂質(zhì)還具有多種生化作用，包括參與翻譯后修飾(如肉豆蔻化、棕櫚?；?，作為能量代謝和產(chǎn)熱的底物等。雖然在脂質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性和確定特定脂質(zhì)功能方面取得了重大進(jìn)展，但目前對脂質(zhì)多樣性及細(xì)胞脂質(zhì)的組成差異如何影響細(xì)胞生物學(xué)以及它如何有助于細(xì)胞特異性功能的了解有限。

2024年4月澳大利亞貝克心臟和糖尿病研究所的Andrew J. Murphy、Graeme I. Lancaster研究團隊在Nature cell biology（17.3）雜志上發(fā)表題為“A lipid atlas of human and mouse immune cells provides insights into ferroptosis susceptibility”文章。該文章采用高通量靶向脂質(zhì)組學(xué)技術(shù)證明了每種免疫細(xì)胞都具有其獨特的脂質(zhì)特征，還發(fā)現(xiàn)含多不飽和脂肪酸的甘油磷脂（PUFA-PL）含量的差異是免疫細(xì)胞對鐵死亡不同易感性的基礎(chǔ)，并且低PUFA-PL含量可以增強活化中性粒細(xì)胞對鐵死亡的抵抗力。拜譜生物近期推出了MLT4500醫(yī)學(xué)高通量靶向脂質(zhì)組產(chǎn)品，多針檢測4500+脂質(zhì)分子，其中甘油磷脂類3100+，提供絕對定量數(shù)據(jù)和豐富的數(shù)據(jù)分析內(nèi)容。敬請咨詢！

英文標(biāo)題：A lipid atlas of human and mouse immune cells provides insights into ferroptosis susceptibility

期刊：Nature cell biology

影響因子：17.3

發(fā)表時間：2024年4月

作者單位：澳大利亞貝克心臟和糖尿病研究所

研究材料：人外周血的16種成熟免疫細(xì)胞、小鼠外周血的8種免疫細(xì)胞

組學(xué)技術(shù)：靶向脂質(zhì)組學(xué)

一、研究思路

圖1 人類（上）和小鼠（下）免疫細(xì)胞脂質(zhì)圖譜分析

（圖源：Morgan, Pooranee K et al., Nat Cell Biol. 2024）

二、研究結(jié)果

01.人類免疫系統(tǒng)的脂質(zhì)組學(xué)細(xì)胞圖譜

為了驗證細(xì)胞脂質(zhì)組是人類免疫細(xì)胞的一個決定性特征的假設(shè)，作者從14名健康供體的外周血中分離了16個不同的成熟免疫細(xì)胞群，代表了所有主要的免疫細(xì)胞譜系及其亞群。通過超高效液相色譜與串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用(UHPLC ESI-MS/MS)對其細(xì)胞脂質(zhì)進(jìn)行了表征。共定量了524種脂質(zhì)，其中505種在至少兩種細(xì)胞類型之間有顯著差異，屬于多個不同的脂質(zhì)類別，包括二?；?、醚和乙烯基醚甘油磷脂(PLs)(磷脂酰膽堿-PC，磷脂酰絲氨酸-PS，磷脂酰乙醇胺-PE，磷脂酰肌醇-PI，磷脂酰甘油-PA)、鞘脂(SLs)(鞘磷脂-SM)、神經(jīng)酰胺、神經(jīng)節(jié)苷脂、己糖神經(jīng)酰胺、溶血磷脂（Lyso-PLs）、膽固醇（COH）。在目前的研究中，作者對膜脂質(zhì)特別感興趣，因此沒有分析中性脂質(zhì)，例如三酰甘油(TG)、二酰甘油(DG)和膽固醇酯(CE ),它們是脂滴的豐富成分。通過t-分布隨機鄰近嵌入(t-SNE)對整體脂質(zhì)組進(jìn)行可視化，證明了整體細(xì)胞脂質(zhì)組是人類免疫系統(tǒng)細(xì)胞的識別特征(圖2b)。

在骨髓細(xì)胞中SL和COH的比例較高，特別是在嗜中性粒細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞中，PL的比例相應(yīng)降低(圖2c)，PLs是細(xì)胞膜中存在的最豐富的脂質(zhì)類別(圖2c )，但免疫細(xì)胞類型之間PL類別的比例差異不顯著(圖2d)。嗜中性粒細(xì)胞中PS的比例增加。與NK細(xì)胞和骨髓細(xì)胞相比，T和B淋巴細(xì)胞中PG的比例明顯更高(圖2d)。結(jié)果表明人類免疫細(xì)胞具有獨特的磷脂組成。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)骨髓細(xì)胞中PC(O)、PC(P)、PE(O)和PE(P)的比例顯著高于淋巴細(xì)胞(圖2e、f)。PE和PC中二?；⑼榛押拖┗呀M成的這些差異是在免疫細(xì)胞類型之間觀察到的整體脂質(zhì)組差異的主要驅(qū)動因素。

PL多樣性的另一個主要驅(qū)動因素是酰基/烷基鏈的組成，其長度通常從16到24個碳原子不等，包含0到6個雙鍵。這些差異在功能上很重要，因為它們會影響膜的生物物理和生化特性1。飽和的16:0和18:0鏈占整個PL池的很大比例(~50%)，這在免疫細(xì)胞類型之間相對一致(圖2g)。綜上所述，PL組成的差異是人類免疫細(xì)胞脂質(zhì)組的一個決定性特征。具體來說，化學(xué)鍵的使用差異(即:酯、醚和乙烯基醚)和烷基/?；湺鄻有允敲庖呒?xì)胞類型之間脂質(zhì)組差異的主要驅(qū)動因素。并證明免疫細(xì)胞在激活或成熟時經(jīng)歷脂質(zhì)重塑(圖2h-l)。

圖2 人類免疫系統(tǒng)的脂質(zhì)組學(xué)細(xì)胞圖譜

（圖源：Morgan, Pooranee K et al., Nat Cell Biol. 2024）

02.小鼠免疫系統(tǒng)的脂質(zhì)組學(xué)細(xì)胞圖譜

為了確定在人類免疫細(xì)胞中觀察到的脂質(zhì)組學(xué)特征是否存在于鼠免疫細(xì)胞中，作者構(gòu)建了鼠免疫系統(tǒng)的脂質(zhì)組學(xué)圖譜。從8種不同的免疫細(xì)胞類型共檢出524種脂質(zhì)，400種在至少兩種細(xì)胞類型之間有顯著差異。使用t-SNE對不同鼠免疫細(xì)胞類型的整體脂質(zhì)組進(jìn)行可視化，揭示了髓樣細(xì)胞和淋巴樣細(xì)胞之間以及髓樣細(xì)胞類型之間的明顯區(qū)別(圖3b)。

與人類免疫細(xì)胞相似，在PL、SL、lyso-PL和膽固醇的總比例或主要PL類別的比例中沒有明顯的細(xì)胞譜系或細(xì)胞類型差異(圖3c，d)。PC和PE類中二?；?PC/PE、醚PC(O)/PE(O)和乙烯基醚PC(P)/PE(P)的比例變化與在同等人類免疫細(xì)胞中觀察到的變化一致(圖3e、f)。因此，在細(xì)胞類型(主要是髓樣與淋巴樣)之間利用不同的sn1化學(xué)鍵(酯、醚、乙烯基醚鍵)是人類和小鼠免疫系統(tǒng)的保守特征。

接下來，作者研究了小鼠免疫細(xì)胞之間整體PL烷基/酰基組成的多樣性。雖然在特定細(xì)胞類型之間存在許多顯著差異，但沒有觀察到明顯的譜系差異(圖3g)，但22:6除外，骨髓細(xì)胞的比例明顯低于淋巴細(xì)胞。

對小鼠和人類免疫細(xì)胞脂質(zhì)體之間的關(guān)系進(jìn)行了皮爾遜相關(guān)系數(shù)檢驗。結(jié)果表明，人和小鼠免疫細(xì)胞的總體脂質(zhì)豐度之間存在很強的相關(guān)性（中性粒細(xì)胞，r = 0.78；T 細(xì)胞，r = 0.80；B 細(xì)胞，r = 0.83）(圖3h-j)。表明免疫細(xì)胞脂質(zhì)組在小鼠和人類之間是保守的。

圖3 小鼠免疫系統(tǒng)的脂質(zhì)組學(xué)細(xì)胞圖譜

（圖源：Morgan, Pooranee K et al., Nat Cell Biol. 2024）

03.人類中性粒細(xì)胞和T細(xì)胞對鐵死亡的敏感性不同

小鼠和人免疫細(xì)胞脂質(zhì)組成的最顯著特征之一是發(fā)現(xiàn)骨髓細(xì)胞富含ether-PLs(圖2e，f和3e，f)。作者評估了在骨髓細(xì)胞發(fā)育過程中ether-PLs含量的變化。結(jié)果表明中性粒細(xì)胞發(fā)育過程中的轉(zhuǎn)錄重編程可能有助于脂質(zhì)組成的改變。

免疫細(xì)胞脂質(zhì)組成的最顯著特征之一是髓樣(低)和淋巴樣(高)細(xì)胞之間PUFA比例的顯著差異，特別是高度不飽和的20:4和22:6 PUFA。PUFA-PLs易受鐵依賴性脂質(zhì)過氧化的影響，這會導(dǎo)致一種被稱為鐵死亡的細(xì)胞死亡形式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)PUFA-PLs 豐度的差異是免疫細(xì)胞易受脂質(zhì)過氧化和鐵死亡影響的主要決定因素。并且人類中性粒細(xì)胞和T細(xì)胞對鐵死亡的敏感性不同。

04.改變細(xì)胞脂質(zhì)組成會改變免疫細(xì)胞對脂質(zhì)過氧化和鐵死亡的易感性

數(shù)據(jù)表明，免疫細(xì)胞的PUFA含量決定了它們對鐵死亡的易感性。作者假設(shè)改變內(nèi)源性PUFA水平會改變鐵死亡的易感性。首先，作者給T細(xì)胞補充單不飽和脂肪酸(MUFA)油酸(OA);18:1)或PL PE(18:0/18:1)，以減少PUFA-PLs在膜中的比例。油酸酯和PE(18:0/18:1)都使T細(xì)胞PL組成向富含MUFA的方向轉(zhuǎn)變，同時降低了含有4個碳碳雙鍵的PLs的比例，例如含有20:4的PLs(圖4a,b)。重要的是，補充OA和PE(18:0/18:1)都可以保護T細(xì)胞免受GPX4抑制引發(fā)的脂質(zhì)過氧化和鐵死亡(圖4c,d)。接下來，作者在中性粒細(xì)胞中添加花生四烯酸(20:4)和二十二碳六烯酸(22:6)(AA + DHA)以增加內(nèi)源性PUFA水平。AA + DHA處理降低了含1碳碳雙鍵和2碳碳雙鍵的PLs的比例，同時增加了含5、8和10碳碳雙鍵的PLs的比例，例如20:4和22:6的PLs(圖4e,f)。值得注意的是，在不使用ML210治療的情況下，補充AA + DHA會導(dǎo)致劑量依賴性細(xì)胞死亡，并顯著增加中性粒細(xì)胞的脂質(zhì)過氧化(圖4g,h)。這些作用在很大程度上被中性粒細(xì)胞與Fer-1共同處理而不是細(xì)胞凋亡或壞死性凋亡抑制劑逆轉(zhuǎn)，表明真正的鐵死亡(圖4i,j)。總的來說，這些數(shù)據(jù)表明，PUFA豐度的差異導(dǎo)致了免疫細(xì)胞對脂質(zhì)過氧化和鐵死亡的不同敏感性。

NADPH氧化酶家族的酶(NOX1-5，DUOX1，2)產(chǎn)生活性氧，以前曾參與調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的鐵死亡。NOX2在中性粒細(xì)胞中高度表達(dá)。作者假設(shè)NOX2是ROS的來源，在補充AA + DHA的中性粒細(xì)胞中引發(fā)脂質(zhì)過氧化和鐵死亡。通過進(jìn)一步研究證明，減少PUFA-PL含量對于靜止和活化的中性粒細(xì)胞來說都是必不可少的，以最大限度地減少由NOX2依賴性ROS產(chǎn)生驅(qū)動的脂質(zhì)過氧化和鐵死亡。

圖4. T細(xì)胞和中性粒細(xì)胞中的脂質(zhì)補充改變了對脂質(zhì)過氧化和鐵死亡的敏感性

（圖源：Morgan, Pooranee K et al., Nat Cell Biol. 2024）

三、小結(jié)

作者構(gòu)建了人類和小鼠免疫細(xì)胞脂質(zhì)圖譜，檢測到超過500種脂質(zhì)，它們在宿主免疫中具有不同的作用，表明免疫細(xì)胞的脂質(zhì)組成是不同的。此外，細(xì)胞成熟和活化改變免疫細(xì)胞脂質(zhì)組成，而關(guān)鍵的脂質(zhì)特征是在免疫細(xì)胞發(fā)育過程中獲得的。通過分析定義脂質(zhì)特性和功能的主要化學(xué)特征(例如PL頭群、?；湺鄻有?、化學(xué)連接)，作者已經(jīng)確定了獨特的、免疫細(xì)胞特異性的脂質(zhì)譜，并提供證據(jù)表明這些差異具有重要的生物學(xué)功能。具體來說，通過脂質(zhì)圖譜，作者發(fā)現(xiàn)PUFA-PLs豐度的差異為之前描述的T細(xì)胞對鐵死亡的易感性以及骨髓細(xì)胞(包括中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞)對鐵死亡的抗性提供了潛在的分子基礎(chǔ)。

拜譜小結(jié)

許多特征定義了免疫細(xì)胞的身份，從物理參數(shù)，如細(xì)胞大小、核形態(tài)和顆粒含量，到分子特征，如轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)表面標(biāo)記的表達(dá)。重要的是，這種差異是不同免疫細(xì)胞類型獨特功能特性的基礎(chǔ)。實際上免疫系統(tǒng)細(xì)胞的脂質(zhì)景觀也是免疫細(xì)胞身份的一個決定性特征，并且脂質(zhì)組成的差異有助于細(xì)胞特異性功能。該研究通過基于質(zhì)譜的靶向脂質(zhì)組學(xué)技術(shù)構(gòu)建了一個人類和小鼠免疫系統(tǒng)的綜合“脂質(zhì)圖譜”，并揭示脂質(zhì)圖譜是免疫細(xì)胞身份的關(guān)鍵特征以及細(xì)胞特異性脂質(zhì)表型是免疫細(xì)胞生理功能的基礎(chǔ)。廣泛靶向代謝組學(xué)是一種整合了非靶向代謝組學(xué)“廣泛性”和靶向代謝組學(xué)“準(zhǔn)確性”優(yōu)點的新型代謝組學(xué)檢測技術(shù)，具有高通量、高靈敏度、廣覆蓋度、定性定量準(zhǔn)確等特點。拜譜生物已經(jīng)推出了MLT4500醫(yī)學(xué)高通量靶向脂質(zhì)組產(chǎn)品，多針檢測4500+脂質(zhì)分子，其中甘油磷脂類3100+，提供絕對定量數(shù)據(jù)和豐富的數(shù)據(jù)分析內(nèi)容，適用于人、大鼠、小鼠等動物來源的樣本，包括血液、細(xì)胞、組織等樣本類型。敬請咨詢！

參考文獻(xiàn)：Morgan PK,Pernes G,Huynh K, et al. A lipid atlas of human and mouse immune cells provides insights into ferroptosis susceptibility. Nat Cell Biol. 2024;26 (4):645-659. doi:10.1038/s41556-024-01377-z