摘要：当我们打疫苗或遭遇病菌入侵时，身体的免疫系统是如何记住这些经历的？我们知道，适应性免疫（比如产生抗体）能形成长期记忆。但近年来，研究人员发现了一个隐藏的秘密：我们的第一道防线——先天免疫系统（Innate Immune System），竟然也拥有非凡的“记忆”

当我们打疫苗或遭遇病菌入侵时，身体的免疫系统是如何记住这些经历的？我们知道，适应性免疫（比如产生抗体）能形成长期记忆。但近年来，研究人员发现了一个隐藏的秘密：我们的第一道防线——先天免疫系统（Innate Immune System），竟然也拥有非凡的“记忆”能力，这被称为训练免疫（Trained Immunity）！

训练免疫非常重要，它能让我们在接种疫苗（例如广泛使用的卡介苗BCG）后，获得对多种病原体的广谱、非特异性保护。想象一下，这就像是给你的免疫细胞装上了“通用技能包”，让它们在面对不熟悉的敌人时也能更快速、更有效地做出反应。

训练免疫的产生与细胞内部发生深刻变革有关：一方面是代谢（Metabolism） 的重编程，细胞获取和使用能量的方式发生改变；另一方面是表观遗传（Epigenetics） 的重塑，基因的开启与关闭模式被重新设定，就像调整了细胞的“生产手册”。然而，代谢产生的无数分子中，究竟谁是那个连接能量状态与基因记忆的关键“信使”？它们是如何在细胞的“记忆手册”上留下印记的？这个核心机制仍然是个谜。

5月2日发表在《Cell》上的一项开创性研究“Long-term histone lactylation connects metabolic and epigenetic rewiring in innate immune memory”，为我们揭示了这个谜题的关键一环！这项研究惊人地发现，我们体内一种非常普通、在剧烈运动后会大量产生的分子——乳酸（Lactate），竟然扮演着连接细胞代谢与免疫记忆的桥梁角色！研究揭示，在训练免疫过程中，乳酸不仅仅是能量代谢的副产物，它还能在组蛋白上留下一种特殊的“化学标记”——组蛋白乳酸化（Histone Lactylation），特别是H3K18la。这个乳酸化标记就像是一个关键的“记忆锚点”，能够长期存在于免疫细胞中，指导它们在下次遇到威胁时快速启动强大的防御反应。通过实验阻断乳酸的产生或乳酸化过程，训练免疫的效应就会大打折扣。

这项来自《Cell》的重磅发现，不仅彻底改变了我们对先天免疫记忆如何形成的理解，揭示了代谢与表观遗传调控的新机制，更为我们未来通过调控细胞代谢来增强疫苗效力、治疗疾病等开辟了全新的视角。

人体队列观察——卡介苗接种后，乳酸释放与增强的免疫反应正相关！

研究首先从人体真实世界的疫苗接种情况入手。他们分析了接受卡介苗接种的健康志愿者队列（300BCG cohort）的外周血单核细胞（PBMCs）。在接种前（第0天）、接种后14天和90天，研究人员分离出这些细胞，并在体外用结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）或白色念珠菌（Candida albicans）进行刺激，检测细胞分泌的细胞因子（cytokines）和乳酸水平。

结果令人兴奋！研究人员发现，在接种卡介苗后，单核细胞释放的乳酸水平与多种促炎细胞因子的分泌能力呈显著正相关。例如，在接种后第14天，针对结核分枝杆菌的体外刺激，细胞释放的乳酸与IL-1β、IL-6、IL-1Ra、IL-10的分泌log2FC（Fold Change，倍数变化）分别呈现0.54、0.49、0.38、0.17的Pearson相关系数，p值均小于0.05，表明相关性在统计学上非常显著。更关键的是，即使到了接种后的第90天，这种正相关依然存在，比如乳酸与IL-1β分泌的Pearson相关系数仍有0.42，p值小于0.0001，这提示乳酸的产生能力可能与长期的训练免疫反应有关。

单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析进一步揭示，在接种卡介苗90天后，这些志愿者的单核细胞中，与糖酵解（glycolysis）途径相关的几个基因（例如丙酮酸激酶M, PKM和乳酸脱氢酶A/B, LDHA/LDHB）表达上调，特别是LDHA和PKM在未受刺激的单核细胞中就已显示表达升高。这说明卡介苗接种确实诱导了单核细胞代谢向糖酵解方向的转变，为乳酸产生提供了基础。

这些人体数据首次将乳酸的产生与卡介苗诱导的训练免疫反应联系起来，而且这种联系是持久的。

体外模型深入——训练细胞的“代谢新面貌”与乳酸的持续高产

为了更清晰地研究这种联系，研究人员构建了体外训练免疫模型。他们将人的单核细胞在体外分化为巨噬细胞（macrophages），并用卡介苗（BCG）或LPS（一种细菌成分，通常用于诱导免疫耐受tolerance）进行训练。在移除训练刺激后，细胞经过一段时间的休息，再用LPS进行二次刺激。

研究发现，BCG训练的巨噬细胞在二次刺激下确实表现出增强的细胞因子反应（例如TNF和IL-6分泌增加），符合训练免疫的特征；而LPS处理过的细胞则表现为免疫耐受，细胞因子反应减弱。

更重要的是，对细胞代谢状态的分析显示，BCG训练的巨噬细胞拥有增强的生物能量（bioenergetics）水平，对葡萄糖代谢和线粒体依赖性降低，与Naive细胞（未训练）不同。而且，只有BCG训练的巨噬细胞表现出乳酸的持续高产。在初次卡介苗刺激后的第6天（此时训练刺激已被移除5天），它们仍然分泌比Naive细胞更多的乳酸；而在二次LPS刺激后，这种高分泌特性更加显著。这与人体队列中的发现（乳酸分泌与训练免疫反应正相关）高度吻合。LPS耐受的巨噬细胞则没有这种持续高乳酸分泌的特征。

为了验证乳酸在训练免疫中的作用，研究人员使用了LDH抑制剂（LDHi，例如GSK 2837808A或钠草酸盐）在初次卡介苗训练细胞时进行处理。结果显示，这些抑制剂能有效降低细胞内外的乳酸水平。重要的是，在训练期间抑制LDH，显著影响了训练细胞后续对LPS二次刺激时的乳酸产生能力，即使在二次刺激时不再添加抑制剂。这表明，卡介苗训练诱导的早期乳酸产生，对于塑造细胞长期的代谢特征（包括后续乳酸动力学）至关重要。

表观遗传新角色——组蛋白乳酸化 H3K18la 闪亮登场

代谢产物如何影响细胞的“生产手册”？研究人员将目光投向了组蛋白修饰。他们假设，乳酸可能会像乙酰基团一样，作为一种化学基团连接到组蛋白的赖氨酸残基上，形成组蛋白乳酸化（histone lactylation）。之前已有研究发现这种新的修饰。

研究人员检测了BCG训练的巨噬细胞中的组蛋白乳酸化水平。他们发现，与Naive巨噬细胞相比，BCG训练的巨噬细胞在初次刺激6天后，组蛋白的泛乳酸化（pan-Kla）和H3K18位点的乳酸化（H3K18la）水平显著增加。而LPS耐受细胞的乳酸化水平则与Naive细胞相当。这再次强调了乳酸化是BCG训练免疫的特有特征。

进一步的染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）分析揭示了H3K18la在基因组上的分布。总共鉴定到88,871个H3K18la峰。在巨噬细胞分化过程中，动态变化的H3K18la峰主要出现在H3K4me1、H3K27ac等标记的远端调控元件和开放染色质区域（例如，78.4%与开放染色质重叠）。而在BCG训练的细胞中，动态变化的H3K18la峰更倾向于富集在远端增强子区域（enhancers）（例如，83.3%与H3K27ac重叠，55.9%与H3K4me1重叠），并且同样与开放染色质区域高度重叠（71.4%）。

更重要的是，H3K18la的水平变化与基因表达水平变化呈现显著正相关。例如，在BCG刺激后的细胞中，H3K18la峰在活跃启动子（active promoters）和增强子区域的变化与基因表达变化的Pearson相关系数分别达到0.86和0.77，p值均小于0.0001。这意味着H3K18la的增加预示着相关基因的转录活性可能增强。

研究人员还追踪了H3K18la峰的动态变化模式。他们发现一些H3K18la峰在BCG刺激24小时内瞬时增加，也有一些峰能维持到第6天，这提示H3K18la可能作为一种“表观遗传记忆标记”长期存在于训练免疫细胞中。在那些随BCG刺激持续高水平（维持到第6天）的H3K18la峰附近的基因中，科学家们找到了许多与细胞因子或趋化因子相关的基因。

锁定关键基因！H3K18la 在 IL1B 位点的独特标记与调控

IL-1β是一种在训练免疫中扮演核心角色的促炎细胞因子。它的基因（IL1B）的表达水平受到严格调控，并且已知与训练免疫相关的表观遗传变化有关。研究人员深入分析了H3K18la在IL1B基因区域的分布。

IL1B基因位于基因组上的一个特定区域，形成一个拓扑关联结构域（Topologically Associating Domain, TAD），由一个CTCF结合位点（CTCF-binding site）分隔为两个亚区域，一个包含促炎的IL1B基因，另一个包含抗炎的IL37基因。一个叫做AMANZI的长链非编码RNA（lncRNA）也位于这个区域，并形成一个跨越边界的长程染色质环。

研究人员发现，H3K18la主要标记了IL1B基因的增强子区域（eRNA）以及启动子区域附近，但并没有标记IL37基因的启动子。更引人注目的是，H3K18la还标记了IL1B与IL37之间的CTCF结合位点和长程接触位点，这暗示着组蛋白乳酸化可能通过影响染色质三维结构来调控基因表达。

通过ChIP-qPCR技术进一步验证，卡介苗刺激24小时后，IL1B基因的启动子、AMANZI lncRNA区域以及长程接触位点的H3K18la水平均显著增加，并且在移除刺激后6天，这些区域的H3K18la水平依然保持高位。这强有力地支持了H3K18la在BCG训练细胞中对IL1B区域的特定标记和持久性。

“乳酸-乳酸化通路”的因果链：抑制关键环节，削弱训练免疫效应

仅仅是相关性还不够，乳酸和组蛋白乳酸化是否导致了训练免疫？研究人员通过药物抑制实验来回答这个问题。他们使用了LDH抑制剂（LDHi）和组蛋白乙酰/乳酰转移酶p300/CBP的抑制剂（p300i）来干扰乳酸产生和组蛋白乳酸化。p300/CBP已知可以作为组蛋白乳酰转移酶催化乳酰基团转移。此外，他们还尝试抑制乳酸的细胞膜转运蛋白MCT1/4。

实验显示，用LDHi在BCG训练期间处理细胞，会显著降低BCG训练细胞后续在LPS二次刺激下分泌IL-1β的能力（LDHi处理组分泌IL-1β水平显著低于未处理组）。同样，使用p300i抑制组蛋白乳酰化/乙酰化，也显著降低了BCG训练细胞分泌IL-1β的水平（p300i处理组分泌IL-1β水平显著低于未处理组）。这表明，BCG诱导的乳酸产生和p300/CBP介导的组蛋白乳酸化对于训练免疫的产生至关重要。

RNA测序分析也发现，在BCG训练期间使用LDHi抑制剂，显著改变了细胞对LPS二次刺激的转录组反应，许多通常在BCG训练细胞中上调的基因表达被抑制，提示乳酸的产生影响了训练免疫的基因表达程序。

为了进一步寻找乳酸和乳酸化在人体训练免疫中的因果证据，研究人员分析了300BCG队列中志愿者的基因组数据，寻找与训练免疫反应相关的单核苷酸多态性（SNPs）。他们发现，LDHA基因和EP300基因区域的一些特定基因变异，与卡介苗接种后PBMC在体外受到金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）刺激时分泌IL-1β、IL-6和TNF的水平显著相关（如LDHA和EP300区域的SNPs），这从遗传学层面支持了乳酸代谢和乳酸化在人体训练免疫中的作用。

需要注意的是，研究人员也尝试在体外直接向细胞培养基中添加高浓度外源乳酸，但未能诱导训练免疫反应。这可能说明，训练免疫需要的是细胞自主产生的内源性乳酸信号，而不是外部环境的高乳酸浓度。

人体实锤！卡介苗接种后 H3K18la 在单核细胞中长期存在！

将体外发现推向人体生理环境是关键一步。研究人员再次分析了300BCG队列志愿者的单核细胞样本（接种前、接种后14天、接种后90天），检测H3K18la在全基因组上的分布。

全基因组H3K18la ChIP-seq数据的主成分分析（PCA）显示，接种后第14天和第90天的单核细胞样本与接种前的样本在H3K18la profile上清晰地分离开来，表明卡介苗接种确实引起了单核细胞H3K18la的全局性变化。此外，H3K18la这种表观遗传标记在卡介苗接种后至少持续了3个月！ 这与已知的训练免疫相关标记（如H3K27ac和H3K4me1）的持久性相似。

对动态变化的H3K18la峰的进一步分析发现，这些峰中的许多确实是BCG接种特异性的。它们同样倾向于出现在远端增强子（与H3K4me1和H3K27ac高度重叠，分别有66.2%和62.4%）和启动子区域（32%）。研究人员根据H3K18la信号强度随时间的变化，将这些峰分为不同的动态模式：有些峰在第14天短暂升高后恢复基线，有些峰在第14天和第90天持续高水平，还有些峰只在第90天出现。

与这些动态H3K18la峰相关的基因，通过通路分析发现，显著富集在白细胞活化（leukocyte activation）和免疫应答（immune responses）等通路中，进一步证实了H3K18la标记的基因区域与免疫功能密切相关。

宏观视角——乳酸-乳酸化通路在训练免疫中的意义与未来

这项研究构建了一个清晰的“乳酸-乳酸化-训练免疫”通路：卡介苗等训练刺激诱导细胞代谢向糖酵解转变，产生大量乳酸；细胞内的乳酸在p300/CBP等酶的作用下，将乳酰基团转移到组蛋白（特别是H3K18位点）上，形成组蛋白乳酸化（H3K18la）；这种H3K18la修饰特定基因组区域（尤其是远端增强子和关键基因IL1B位点），并作为一种长时程的表观遗传记忆标记持久存在；这些标记共同塑造了训练免疫细胞的表观遗传景观，使得细胞在未来遭遇病原体时能够快速、高效地启动增强的免疫应答。

研究还探索了乳酸-乳酸化通路对造血干祖细胞（hematopoietic stem and progenitor cells, HSCs）的影响。BCG已知能重编程骨髓中的HSCs，产生具有训练免疫特性的髓系细胞。在小鼠模型中，研究人员发现，使用p300抑制剂可以显著抑制BCG诱导的造血干祖细胞群体（LKS+细胞，包括MPP、MPP3、MPP4亚群）的扩张（与对照组小鼠相比，用p300i处理的BCG接种小鼠的LKS+、MPP、MPP3、MPP4细胞数量显著减少，p值小于0.001），这表明乳酸化也参与了训练免疫在骨髓层面的建立。

这项研究不仅加深了我们对训练免疫分子机制的理解，揭示了代谢产物作为表观遗传“信使”的关键作用，还为开发基于训练免疫的新型免疫疗法提供了潜在靶点。未来，通过调节乳酸产生（如靶向LDH）或组蛋白乳酸化（如靶向p300/CBP），我们或许能够增强疫苗的广谱保护效力，或者干预与训练免疫异常激活相关的炎症性疾病，甚至利用这一机制增强免疫细胞的抗肿瘤能力。

当然，这项研究也有其局限性，例如主要关注了卡介苗诱导的训练免疫，使用了非特异性的抑制剂，并且人体队列主要为欧洲血统。未来的研究需要在更多类型的训练免疫诱导物、更特异性的干预手段以及更多样化的人群中进行验证。

总而言之，这篇发表在《Cell》上的研究犹如打开了一扇新的大门，让我们看到了小小代谢产物——乳酸——如何通过组蛋白乳酸化这一巧妙的机制，在我们的先天免疫系统中刻下深刻而持久的记忆。这个发现不仅是免疫学领域的重大进展，也为理解代谢、表观遗传与免疫健康之间的复杂关系提供了重要线索，并为未来的疾病治疗策略带来了新的希望。

参考文献

Ziogas A, Novakovic B, Ventriglia L, Galang N, Tran KA, Li W, Matzaraki V, van Unen N, Schlüter T, Ferreira AV, Moorlag SJCFM, Koeken VACM, Moyo M, Li X, Baltissen MPA, Martens JHA, Li Y, Divangahi M, Joosten LAB, Mhlanga MM, Netea MG. Long-term histone lactylation connects metabolic and epigenetic rewiring in innate immune memory. Cell. 2025 Apr 25:S0092-8674(25)00400-3. doi: 10.1016/j.cell.2025.03.048. Epub ahead of print. PMID: 40318634.

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来源：生物探索一点号1