Макрофаги поглощают бактерий не только для презентации антигенов, но и в качестве пищи
Международный коллектив ученых продемонстрировал, что помимо антигенпрезентации макрофаг использует «съеденную» бактерию в качестве источника питательных веществ. Это изменяет метаболизм макрофагов, причем эффект зависит от того, подверглась фагоцитозу мертвая или живая бактериальная клетка. Авторы предполагают, что это позволяет макрофагу выживать в условиях, когда доступ к внеклеточным нутриентам ограничен быстро размножающимися бактериями. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Для начала исследователи оценили использование фагоцитированных бактерий в качестве источника питательных веществ. Макрофаги стимулировали убитой кишечной палочкой либо липополисахаридом (ЛПС), который активирует толл-подобные рецепторы TLR4. Выработка провоспалительных цитокинов IL-6, фактора некроза опухоли (TNF) и IL-1β была сопоставимой в ответ на оба стимула. Однако транскриптомный анализ макрофагов через четыре часа после стимуляции выявил около 1 200 дифференциально экспрессированных генов. При поглощении целых бактерий в макрофагах был выше уровень экспрессии генов, связанных с метаболическими процессами и мембранными транспортерами метаболитов. Ученые предположили, что фагоцитированные бактерии запускают в макрофагах метаболическую перестройку, отличную от той, которая индуцируется ЛПС.
Роль ЛПС в перепрограммировании митохондрий уже известна, и теперь авторы статьи решили проверить, будет ли влиять на митохондрии поглощение целых клеток. Они обнаружили 74 дифференциально экспрессируемых гена митохондриальных белков, экспрессия которых активировалась в ответ на фагоцитоз бактерий, но не при стимуляции ЛПС. Тогда ученые предположили, что поглощенные бактериальные клетки могут служить источником субстрата для окислительного фосфорилирования. Для сравнения использовали покрытые ЛПС бусины, лишенные питательной ценности. Как бусины, так и цельные клетки увеличивали концентрацию АТФ в макрофагах и усиливали закисление среды — по-видимому, оба варианта стимуляции индуцировали гликолиз. Однако поглощение бактерий также значительно увеличивало скорость потребления кислорода макрофагами. Оказалось, что ключевую роль в этом играли заменимые аминокислоты — стимуляция ЛПС в их присутствии действовала на макрофаги так же, как и фагоцитоз целых бактерий.
Действительно ли макрофаги утилизируют аминокислоты поглощенных бактерий и включают их в свой метаболизм? Чтобы это выяснить, ученые провели мечение стабильными изотопами с помощью аминокислот в культуре (SILAC). Через восемь часов после фагоцитоза макрофаги накапливали в своих пептидах 13C-метки, полученные из переваренных бактерий. Этого не происходило при активации в системе Transwell, где клетки могут только обмениваться метаболитами, но не контактируют напрямую.
Интересно, что макрофаги встраивали поглощенные аминокислоты бактерий не во все белки. Анализ функционального обогащения показал, что из таких аминокислот преимущественно синтезировались медаторы врожденных иммунных реакций или метаболических путей, таких как гликолиз. Помимо аминокислот макрофаги оказались способны метаболизировать и другие компоненты бактерий — когда их культивировали с E. coli, выращенной на 13C-глюкозе, оказалось, что макрофаги активно усваивают метку.
Затем авторы попытались установить механизмы, регулирующие усвоение переваренных бактерий. Один из белков, участвующих в детекции и контроле поступающих нутриентов — это киназа mTORC1, активность которой подавляет поглощение аминокислот из лизосомы. Rag-ГТФазы RagA или RagB, распознавая лизосомальные аминокислоты, формируют комплекс с RagC или RagD для привлечения mTORC1 на поверхность лизосом, где киназа активируется. Макрофаги с нокаутным или неактивным RagA были ограничены в способности усваивать аминокислоты из перевариваемых бактерий. Иными словами, RagA и активируемый им сигнальный путь mTORC1 контролируют в макрофагах усвоение поглощенных микроорганизмов.
Также выяснилось, что активность mTORC1 связывает переработку бактерий с метаболическим перепрограммированием макрофагов. С перевариванием бактерий были ассоциированы метаболиты, участвующие в путях биосинтеза глутатиона (GSH) — ключевого антиоксиданта в клетках.
Специализированные фагоциты способны отличать живые микроорганизмы от уже убитых, чтобы оценить уровень инфекционной угрозы. Ученые установили, что поглощение убитых и живых E. coli по-разному влияло на метаболизм макрофагов — поглощение мертвых бактерий больше усиливало биосинтез глутатиона, а стимуляция живыми бактериями заставляла макрофаги вырабатывать больше IL-1β. В целом, хотя макрофаги поглощали и живые, и мертвые клетки E. coli, убитые бактерии оказались более эффективным источником питательных веществ. Как показали дальнейшие эксперименты, маркером мертвых бактерий для макрофагов служил циклический АМФ (цАМФ).
По-видимому, утилизация поглощенных бактерий в качестве источника пищи может обеспечить макрофагам преимущество в условиях, когда быстро размножающиеся бактерии активно поглощают из ткани питательные вещества.