干扰素病的特征是干扰素（IFN）-I的过度产生和激活，并与包括系统性红斑狼疮（SLE）在内的各种自身免疫性疾病的进展有关。许多炎症性自身免疫性疾病也是由促炎细胞因子的异常产生和功能导致的。因此，研究免疫细胞如何精确控制IFN-I和促炎细胞因子的生产和效应反应，可以提供自身免疫疾病的细胞因子阻断治疗线索。尽管中和这些因子的抗体在临床上取得了一些进展，但疗效仍有限。

2024年06月，来自中国医学科学院，北京协和医学院基础医学研究所免疫治疗中心的曹雪涛院士团队在IMMUNITY（IF=25.5）上发表题为Cellular spermine targets JAK signaling to restrain cytokine-mediated autoimmunity的文章。通过对IFN-β激活的巨噬细胞进行代谢组学分析和IFN刺激响应元件报告筛查，发现精胺是Janus激酶（JAK）信号传导的代谢抑制因子。该文章中类靶向代谢组检测由诺禾致源提供。

研究思路

研究结果

1. 功能筛选发现精胺能抑制IFN-I反应

为了研究巨噬细胞在响应IFN-I刺激时的代谢物的情况，作者使用类靶向代谢组学检测了IFN-β处理前后的小鼠骨髓来源的巨噬细胞（BMDMs）。筛选到IFN-β处理后显著变化的73种代谢物（图1A）。采用代谢组学检测了在VSV感染（该病毒诱导IFN-I产生）的BMDMs，筛选到43种显著变化的代谢物（图1B）。两种检测筛选到的代谢物中，有五种代谢物在两种检测中都发生了变化（图1C）。在IFN刺激响应元件（ISRE）报告中筛选这些代谢物，发现精胺显著抑制了IFN-I响应。精胺的浓度在IFN-β刺激的巨噬细胞中减少，但其他多胺没有变化（图1D-K）。实验证明，精胺在细胞摄取和阻断IFN-I响应方面优于亚精胺。总体而言，精胺作为代谢物能够功能性地抑制细胞对IFN-I的响应，对于控制细胞因子相关的自身免疫性疾病有潜在作用。

图1 亚精胺抑制巨噬细胞中的I型干扰素反应分析

2. 精胺抑制由IFN-I、IFN-g、IL-2和IL-6诱导的JAK信号通路

研究发现精胺在IFN-β刺激后30分钟内显著降低了p-JAK1、p-TYK2、p-STAT1和p-STAT2的水平（图2A）。RNA测序和实时qPCR分析显示，精胺预处理减少了IFN-β诱导的ISG mRNA水平（图2B），但没有全局性抑制基因表达。GO分析表明，精胺处理组下调的基因主要与细胞因子反应相关。此外，精胺在多种细胞类型中抑制了IFN-β信号传导，并不影响干扰素受体的定位或表达。研究还表明，精胺广泛抑制了由IFN-γ、IL-6和IL-2激活的JAK-STAT通路，且在早期时间点即有抑制作用（图2C-I）。这些数据表明，精胺通过阻断JAK激活来抑制细胞的细胞因子反应。

图2 精胺抑制由不同的细胞因子引起的JAK1信号传导

3. 精胺结合在JAK1的N端多个结构域，从而削弱JAK1与细胞因子受体的结合

研究发现精胺显著阻断了JAK1与IFNAR2的相互作用，并通过免疫沉淀实验得以验证。此外，精胺还抑制了JAK1与IL6受体的结合。使用生物素化精胺的实验显示，精胺优先与未激活的JAK1结合，而非其他相关蛋白。表面等离子共振分析和体外拉下实验进一步确认了精胺主要结合于JAK1的N末端域，特别是FERM和SH2域。分子对接和分子动力学分析显示，精胺通过形成氢键占据了JAK1 FERM域内的两个功能端。这些结果表明，精胺通过直接与JAK1的N末端相互作用，破坏了JAK1与细胞因子受体的相互作用，从而抑制了细胞因子应答。

图3 精胺对JAK1的调控机制

4. 异常的精胺代谢通路干扰了 JAK-STAT 信号传导和细胞因子反应过程

细胞内多胺浓度通过一组酶（如Odc1和Sat1）精确调控，并且在IFN-β等细胞因子刺激下，多胺分解代谢增加而合成代谢降低。实验通过标记的亚精胺追踪精胺代谢，发现IFN-β刺激下精胺分解代谢增强，补充外源性精胺可以恢复精胺库。此外，使用ODC1抑制剂和Sms缺陷细胞的实验表明，精胺在调节JAK-STAT信号传导和基因表达中起关键作用。Smox缺陷细胞的结果进一步支持了精胺作为主要功能分子的角色。多胺转运蛋白（如ATP13A2和ATP13A3）也在调控细胞内多胺含量方面发挥重要作用。总体而言，细胞通过严格控制精胺库和代谢途径来应对细胞因子压力，维持稳态。异常的精胺代谢会扰乱细胞因子信号传导，固有的精胺库和有序的代谢途径对宿主稳态至关重要。

图4 细胞内多胺（如精胺）的浓度及其代谢对细胞因子信号传导的影响分析

5. 精胺及其衍生物在抑制系统性红斑狼疮（SLE）和其他自身免疫性疾病中的作用及其潜在治疗效果

精胺对SLE患者PBMC的影响：SLE患者的PBMC中多胺代谢酶SAT1和ODC1的mRNA水平升高，但精胺浓度显著降低。精胺浓度低的SLE患者PBMC表现出更高的IFN-α和IL-4响应特征，并与T细胞和B细胞中的狼疮特征表达呈正相关。精胺治疗新发或未经治疗的SLE患者，结果显示PBMC中与炎症反应相关的基因表达下降，特别是IFN-α和IL-6介导的基因特征减少，STAT1磷酸化也下降。

图5 精胺对SLE患者PBMC的影响分析

体内精胺抑制IFN-I反应：精胺注射未影响小鼠脾细胞中的淋巴细胞和髓细胞的比例，也未影响主要器官的组织病理学和免疫细胞的存活率。精胺预处理显著降低了静脉注射人三重干扰素α-1b或重组小鼠IFN-β后小鼠肝脏、肺部和外周血单个核细胞中的干扰素刺激基因（ISG）表达。在棕榈酸诱导的SLE小鼠模型中，精胺预处理或Ifnar1缺失显著降低了ISG表达，并减轻了皮肤损伤和肾小球面积的增加。

图6 体内精胺抑制IFN-I反应分析

精胺及其衍生物SD1的免疫抑制作用：研究人员通过功能性筛选确定了一种有前景的亚精胺衍生物（SD1）。SD1在多种实验中显示出强效的免疫抑制作用，包括抑制干扰素和白细胞介素信号传导。在MRL/lpr狼疮倾向小鼠中，SD1显著缓解了疾病进展，降低了血清抗双链DNA抗体水平和补体3，限制了淋巴结大小和狼疮性肾炎。SD1显著减少了脾脏中的先天免疫细胞和T细胞数量，并且在抑制激活T细胞核因子（NFAT）启动子活性方面表现优于天然亚精胺。在咪喹莫德诱导的银屑病样小鼠模型中，SD1在皮肤病变缓解、免疫细胞浸润减少和预防体重减轻方面表现出色。总之，这些研究表明，精胺及其衍生物SD1具有作为广泛免疫抑制化合物的潜力，能够预防由I型/II型细胞因子反应过度和T细胞过度激活引起的病理性疾病。

图7 精胺及其衍生物SD1的免疫抑制作用分析

研究总结

本研究通过采用代谢组学和功能筛选方法，发现精胺是一种直接靶向Janus激酶1（JAK1）的多胺类代谢物，能够抑制IFN-I信号和自身炎症。研究发现精胺直接结合JAK1的FERM和SH2结构域，抑制JAK1与细胞因子受体的相互作用，从而广泛抑制由IFN-I、IFN-II、白细胞介素（IL）-2和IL-6触发的JAK1磷酸化。最后，作者对其精胺及其衍生物在抑制系统性红斑狼疮（SLE）和其他自身免疫性疾病中的作用及其潜在治疗效果进行研究，进一步揭示了精胺在控制自身炎症中的重要作用，该研究为治疗炎症性自身免疫性疾病提供了一种潜在的候选物。

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本文采用的液相质谱联用的类靶向代谢组学技术对细胞进行了代谢物谱检测，类靶向代谢是诺禾致源开发的兼顾高通量和定量准确度的代谢组学检测技术，基于业界公认的定量金标准——MRM（多反应监测）模式对代谢物进行准确定量，通过母离子、子离子和保留时间等信息构建的NovoDB数据库保障了定性的准确性。截至目前也积累了丰富的项目经验及合作文章，期待与您的合作！