号外！号外王福俤团队合作揭示铁离子调控B细胞增殖及体液免疫重大新机制

该成果为人群补铁强化提高疫苗接种保护效应提供了重要理论依据。...

近日，《Nature Communications》在线发表了浙江大学医学院与中国科学院上海营养与健康所等研究团队合作完成的题为“Iron-dependent Histone 3 Lysine 9 Demethylation Controls B CellProliferation and Humoral Immune Responses”的研究论文[1]。该成果揭示了铁离子依赖的组蛋白H3K9去甲基化在B细胞增殖与体液免疫功能中的重要作用及分子机制；为人群补铁强化提高疫苗接种保护效应提供了重要理论依据。

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B细胞是体液免疫的核心介导者。成熟B细胞同时表达B细胞受体（B cell antigen receptor, BCR）和Toll样受体（Toll-like receptors, TLRs）[2]。静息成熟B细胞在经历抗原刺激后经历多次的增殖后可以分化为浆细胞，其中浆细胞（Plasma cells, PCs)就是B细胞介导体液免疫的效应细胞，它们可以通过分泌病原体特异性的抗体来中和病原体，从而达到消灭病原体感染的目的[3]。

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微量元素与人体健康息息相关，其中铁离子对于细胞和有机体的许多基本代谢过程和生化活动是必不可少的。临床上缺铁病人经常会伴随着免疫力低下，易感染的表征，但是却不清楚其背后的科学机制。已有研究显示铁在机体抵抗微生物感染中发挥重要作用，缺铁还可以导致NK细胞功能缺陷，影响淋巴细胞分泌白介素2的能力等[4]；还有人群研究提示铁缺乏人群的疫苗抗体滴度明显低于健康对照人群[5]），但是关于铁在B细胞功能和体液免疫反应中作用的相关研究尚不明确。

在真核细胞中，细胞外的游离铁以三价铁的形式存在并结合到铁的载体转铁蛋白（Transferrin， Tf）上形成Tf-Fe3+复合物，结合到细胞表面的转铁蛋白受体上后被细胞通过受体介导的内吞作用摄入细胞内，在内涵体中三价铁从转铁蛋白上被释放出来后必须先被金属还原酶STEAP3从三价铁还原成二价铁，然后才能经过二价金属转运蛋白DMT1或TRPML1通道进入细胞质被细胞利用[6-9]。

为评估人体铁代谢状况与疫苗抗体反应之间的相关性，研究人员对免疫麻疹疫苗（Measles Vaccine, MV）人群的MV特异性免疫球蛋白（IgG）抗体效价、血清铁水平和转铁蛋白饱和度进行了检测并统计分析。结果表明，MV特异性IgG抗体反应滴度与血清铁指标存在显著正相关，提示铁状况与人体体液免疫反应密切相关；铁缺乏或低铁可能是人体体液免疫降低的重要原因。该研究人群样本得到浙江省疾病预防控制中心科研团队的合作支持。

为明确铁与体液免疫关联特征及分子机制，研究团队构建系列缺铁小鼠模型展开深入探索。膳食性缺铁的小鼠表现出外周脾脏成熟B细胞显著减少，并且缺铁小鼠免疫T细胞依赖（T cell-dependent, TD）抗原或者T细胞非依赖（T cell-independent, TI）抗原后，抗原特异性抗体反应都显著减弱、生发中心（Germinal center, GC）形成显著缺陷；而金属还原酶Steap3缺失（基因敲除）的小鼠也呈现和缺铁小鼠相似的外周脾脏成熟B细胞显著减少以及抗原特异性免疫反应缺陷的表型。金属还原酶Steap3基因敲除小鼠展现小细胞缺铁性贫血的典型特征[6, 9]。膳食低铁削弱小鼠T细胞依赖和不依赖的体液免疫反应

接下来，在细胞培养模型开展了缺铁是否影响B细胞功能的系列实验。细胞培养缺铁条件下，anti-IgM（BCR）或LPS（TLR4）刺激诱导的B细胞增殖与浆细胞形成几乎被完全抑制，但B细胞的存活则不受缺铁影响。而补充外源铁离子（Fe3+，FAC）则可以完全逆转缺铁B细胞的增殖反应缺陷。

为了探索铁离子对B细胞增殖的调控分子机制，研究人员通过对小鼠原代B细胞样本开展了Micro-array检测，分析发现铁离子是通过影响BCR与TLR信号对Cyclin E1的诱导表达实现对B细胞增殖与细胞周期的调控。并且这种调控是选择性的，因为与此同时调控B细胞增殖S期进入另一关键周期蛋白Cyclin D2以及B细胞存活关键基因Bcl-xL的诱导表达则完全不受缺铁影响。

那么铁离子是如何实现对Cyclin E1的诱导表达调控的呢？进一步的系列实验，确认 B细胞对Cyclin E1诱导表达的调控是通过JmjC家族的去甲基化酶介导的。ChIP-seq结果显示，正常B细胞在BCR或TLR刺激后会引起Cyclin E1启动子区域的H3K9去甲基化，从而导致Cyclin E1被转录激活。而缺铁会导致JmjC酶活受到抑制，因而Cyclin E1的H3K9me3/2修饰无法被去除，导致了Cyclin E1基因受到转录抑制。染色质共沉淀测序发现铁缺乏上调细胞周期基因CyclinE1启动子区域组蛋白甲基化水平

该成果揭示了微量元素铁通过JmjC去甲基化酶介导的组蛋白H3K9去甲基化修饰调控关键细胞周期蛋白Cyclin E1诱导，从而调控BCR与TLR信号激活引起的B细胞增殖与浆细胞分化，最终影响体液免疫功能；为人群补铁强化疫苗接种提供了科学依据。

浙江大学医学院/公共卫生学院博士后吴谦与中国科学院蒋宇航博士、李翠峰博士分享共同第一作者；王福俤教授与张笑人教授为本文共同通讯作者。此项研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金以及浙江省自然科学基金等经费的支持。1. Yuhang Jiang#, Cuifeng Li#, Qian Wu#, Peng An, Laiquan Huang, Jia Wang, Chen Chen, Xi Chen, Fan Zhang, Li Ma, Sanhong Liu, Hanqing He, Shuyun Xie, Yangbai Sun, Hanshao Liu, Yu Zhan, Yu Tao, Zhi Liu, Xiaohua Sun, Yiming Hu, Qi Wang, Deji Ye1, Jie Zhang1, Shanhua Zou, Ying Wang, Gang Wei, Yongzhong Liu, Yufang Shi, Y. Eugene Chin, Yongqiang Hao, Fudi Wang*, Xiaoren Zhang*. Iron-dependent Histone 3 Lysine 9 Demethylation Controls B Cell Proliferation and Humoral Immune Responses. Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-019-11002-5

2.Rawlings, D.J., Schwartz, M.A., Jackson, S.W. & Meyer-Bahlburg, A. Integration of B cell responses through Toll-like receptors and antigen receptors. Nature reviews. Immunology 12, 282-294 (2012).

3.Nutt, S.L., Hodgkin, P.D., Tarlinton, D.M. & Corcoran, L.M. The generation of antibody-secreting plasma cells. Nature reviews. Immunology 15, 160-171 (2015).

4.Ganz, T. & Nemeth, E. Iron homeostasis in host defence and inflammation. Nature Reviews. Immunology 15, 500-510 (2015).

5.Ekiz, C., Agaoglu, L., Karakas, Z., Gurel, N. & Yalcin, I. The effect of iron deficiency anemia on the function of the immune system. Hematol J 5, 579-583 (2005).

6.Ohgami, R.S. et al. Identification of a ferrireductase required for efficient transferrin-dependent iron uptake in erythroid cells. Nature Genetics 37, 1264-1269 (2005).

7.Zhang, F. et al. Metalloreductase Steap3 coordinates the regulation of iron homeostasis and inflammatory responses. Haematologica 97, 1826-1835 (2012).

8.Dong, X.P. et al. The type IV mucolipidosis-associated protein TRPML1 is an endolysosomal iron release channel. Nature 455, 992-U978 (2008).

9.Wang, J. et al. Advances in iron homeostasis and ferromagnetic nanoparticles. Chinese Science Bulletin 64, 788-801 (2018).

10.Ohgami, R.S. et al. Identification of a ferrireductase required for efficient transferrin-dependent iron uptake in erythroid cells. Nature Genetics 37, 1264-1269 (2005).

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