刷新
博士共一发27.7分Nature子刊！中科院苏州医工所揭示NPM1与线粒体功能在结肠炎和结直肠癌中的重要作用
Highlights
1. NPM1在IBD和CAC中发挥保护作用。
2. NPM1对ILC3s的功能至关重要，特别是在调节这些细胞产生IL-22的能力方面。
3. NPM1通过与p65相互作用，促进TFAM的转录。
近日，“Nature Immunology”（IF=27.7）上发表了一篇题为“Nucleophosmin 1 promotes mucosal immunity by supporting mitochondrial oxidative phosphorylation and ILC3 activity”的文章。这篇文章研究了NPM1在IBD和CAC中的作用。
研究背景介绍
核磷蛋白1（NPM1）是一种在细胞核仁中发现的磷酸化蛋白，它与多种细胞功能相关，包括细胞周期调控、凋亡、肿瘤抑制等。
炎症性肠病（IBD）是一组慢性炎症性疾病，主要包括克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC）。
结肠炎相关性结直肠癌（CAC）是在慢性结肠炎基础上发展起来的结直肠癌，与非炎症性结直肠癌相比，CAC具有独特的病理特征和临床表现。
3型天然淋巴细胞（ILC3）是一类在肠道中发现的天然淋巴细胞，它们能够产生IL-22等细胞因子，对肠道黏膜免疫和组织修复具有重要作用。
研究思路分析
研究技术路线图
01NPM1与结肠炎的关联
①UC患者的结肠中NPM1含量较对照组降低，CD患者也呈现降低趋势，但与对照组差异不显著。单细胞RNA测序分析显示，UC患者中NPM1表达主要在ILC3、巨噬细胞、自然杀伤T细胞、细胞毒性T细胞、调节性T细胞和Paneth细胞中降低。
②建立Npm1-单倍体不足（Npm1+/−）小鼠，发现在DSS诱导的结肠炎模型中，Npm1+/−小鼠显示出更大的体重损失和疾病活动指数（DAI）增加。同样Npm1+/−小鼠在TNBS诱导的结肠炎模型中也表现出减少的结肠长度和增强的炎症反应，表明NPM1在小鼠结肠炎模型中的保护作用。
③在WT小鼠和Npm1+/−小鼠上用偶氮甲烷（AMO）和DSS诱导结肠癌。实验结束时，Npm1+/−小鼠未能恢复体重，并且表现出增加的DAI。且Npm1+/−小鼠发展出更多和更大的肿瘤，表明了更高的肿瘤负担。此外，研究发现由APC基因突变引起的散发性结直肠癌与NPM1无关。
02NPM1在免疫细胞中的作用
①建立骨髓（BM）嵌合体模型，在DSS处理后，Npm1+/−BM小鼠表现出比Npm1 WT BM细胞的小鼠更严重的结肠炎。而当供体BM相同时，体重、结肠长度或组织学特征没有显著差异，表明造血细胞是NPM1的主要功能细胞。
②对于上皮细胞中紧密连接基因（Tjp1、Tjp2、Cldn2和Cldn3）的表达检测发现，除了Cldn3在Npm1+/−小鼠生理条件下减少外，其他的在两组小鼠的生理和病理条件下相对保持不变。此外，Villincre/+Npm1flox/flox小鼠与对照组小鼠在结肠长度和组织学特征上没有明显变化。表明Npm1+/−小鼠中肠道稳态受损和炎症加剧主要是由于造血细胞中Npm1基因的杂合性缺失。
③在DSS诱导的结肠炎中，Npm1+/−小鼠肠道固有层白细胞中的巨噬细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和树突细胞的比例较WT小鼠升高。清除CD11b+髓系细胞或者CD3+T细胞后均未能挽救Npm1+/−小鼠中加剧的肠炎，表明Npm1+/−小鼠加重的结肠炎并非由髓系细胞中的Npm1和T细胞调控。
④研究发现，DSS处理后，Npm1+/−小鼠结肠ILC3和IL-22+ ILC3的数量较Npm1+/+小鼠减少，表明Npm1基因敲减影响ILC3的扩张和功能。而从Npm1+/−小鼠中分离的ILC3在DSS处理后产生的IL-22较WT小鼠少。IL-22的减少可能有助于解释Npm1+/−小鼠DSS诱导的结肠炎中Reg3b和Reg3g的调节失衡，从而损害肠道微生物群稳态。
⑤生成ILC3上缺乏Npm1的Rorccre/+Npm1flox/flox小鼠。在DSS处理后，该小鼠与Npm1flox/flox小鼠相比，表现出更大的体重损失，DAI增加，结肠长度缩短，结肠损伤特征更明显，且结肠ILC3和IL-22+ ILC3s的频率也降低。表明NPM1在ILC3中对肠道稳态的维持和限制炎症反应至关重要。
03NPM1对线粒体功能和转录调控的影响
①在Npm1+/−小鼠的结肠ILC3和人类结肠活检样本中RNA测序均发现，与氧化磷酸化（OXPHOS）途径相关的多个基因表达下降。然而，在Npm1+/−小鼠的上皮细胞、巨噬细胞或T细胞中并未观察到线粒体DNA（mtDNA）的普遍减少。
②在DSS诱导的结肠炎模型中，Npm1+/−小鼠的ILC3表现出氧耗率（OCR）降低，基础OCR、ATP产生和最大呼吸作用显著减少，然而在生理条件下并未有此变化。SEM观察到NPM1杂合缺失的ILC3中线粒体数量减少，且线粒体膜电位降低，进一步证实了NPM1在线粒体生物发生和功能中的作用。
③使用bezafibrate激活线粒体功能。结果显示，bezafibrate显著改善Npm1+/−小鼠的结肠炎症状，还增加结肠ILC3和IL-22+ ILC3的比例及IL-22的产生。MNK3细胞实验显示NPM1通过调控线粒体激活参与IL-22的分泌，而NPM1的敲低抑制了这一过程。bezafibrate能挽救NPM1敲低细胞的IL-22分泌。OXPHOS抑制剂的使用抑制了MNK3的激活，而琥珀酸的添加部分挽救了NPM1杂合缺失导致的ILC3激活受损。
④通过免疫共沉淀和质谱分析发现在MNK3细胞中p65亚基与NPM1相互作用。免疫荧光显示，在炎症状态下，p65与NPM1在细胞核中的共定位。⑤在DSS处理的Npm1+/−小鼠中，TFAM的表达显著降低，而其他细胞类型中的TFAM表达则不受影响。通过荧光素酶报告基因实验和染色质免疫沉淀技术，证实NPM1和p65可以直接结合到TFAM的启动子上，并影响其转录。
04NPM1过表达的保护作用
①分析UC患者和肠炎小鼠的ILC3，发现与NPM1相关的转录因子GATA3、IRF1和STAT3表达降低。构建Npm1UTR−/−小鼠，该小鼠在DSS诱导的结肠炎中表现出较轻的症状，如体重恢复、DAI降低、结肠长度增加和炎症减少。
②尽管过表达Npm1未增加ILC3频率，但IL-22产生细胞比例增加，增强了ILC3对结肠炎的防御功能。此外，Npm1UTR−/−ILC3的mtDNA表达上调，过表达Npm1的MNK3细胞IL-22分泌增加。交配生成的Npm1UTR+/−Npm1+/−小鼠预防了Npm1单倍体不足引起的结肠炎加剧，IL-22分泌增加。表明Npm1过表达对结肠炎具有保护作用。
图1. NPM1缺乏增加对结肠炎和结肠腺癌的敏感性
图2. NPM1对维持结肠ILC3s的频率和功能是必需的
图3. NPM1调控ILC3s中的OXPHOS途径
图4. Npm1对维持ILC3s中线粒体OXPHOS和生物发生是必需的
图5. NPM1在p65信号传递中的作用
图6. NPM1通过与p65结合调控TFAM转录
图7. Npm1OE对抗DSS诱导的结肠炎
结论与讨论
本文研究发现，NPM1在IBD和CAC中发挥保护作用。NPM1通过支持线粒体氧化磷酸化和ILC3的活性来促进黏膜免疫。特别是，NPM1与p65相互作用，促进TFAM的转录，从而维持ILC3的线粒体代谢和IL-22的产生。
此外，未来的研究应该关注NPM1在人类IBD患者中的表达模式和功能，以及如何利用NPM1的调节作用来开发新的治疗手段。研究还应考虑NPM1在肠道微生物群落中可能发挥的作用，以及这些相互作用如何影响IBD的病理过程和治疗响应。