阻断HIF-1α/糖酵解轴通过减少ILC2代谢和功能抑制过敏性气道炎症

Blocking the HIF-1α/glycolysis axis inhibits allergic airway inflammation by reducing ILC2 metabolism and function

作者信息Xiaogang Zhang, Jingping Liu, Xinyao Li, Guilang Zheng, Tianci Wang, Hengbiao Sun, Zhengcong Huang, Junyu He, Ju Qiu, Zhibin Zhao, Yuxiong Guo, Yumei He
PMID39462230
期刊Allergy
发布时间2025-05
DOI10.1111/all.16361

实验完整度

包含细胞实验、IL-33和HDM动物模型、条件性基因敲除小鼠、过继转移、RNA-seq及临床样本分析等多层级验证。

主要模型

小鼠IL-33诱导的过敏性气道炎症模型 小鼠HDM诱导的过敏性气道炎症模型 人外周血ILC2 小鼠肺ILC2

重点核对

2-DG和2-ME的剂量及给药方式(2-DG: 2 g/kg/day ip; 2-ME: 30 mg/kg/day ip) IL-33和HDM的给药方案(IL-33: 500 ng/只鼻内3天; HDM: 1 μg致敏,10 μg/天挑战6天) HIF-1α条件性敲除小鼠模型(Il7rcreΔHIF-1α和IL-5tdTomato-creΔHIF-1α) ILC2分选纯度和培养条件(体外5000细胞/孔,IL-33 100/20 ng/mL,IL-2 20/10 ng/mL,IL-7 20/10 ng/mL) 过继转移实验(1.8×10^4 ILC2静脉注射至NSG小鼠)

摘要

Background: The role of lung group 2 innate lymphoid cell (ILC2) activation in allergic asthma is increasingly established. However, the regulatory mechanisms underlying hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α)-mediated glycolysis in ILC2-mediated allergic airway inflammation remain unclear. Objective: To investigate the role of the HIF-1α/glycolysis axis in ILC2-mediated allergic airway inflammation. Methods: Glycolysis and HIF-1α inhibitors were used to identify their effect on the function and glucose metabolism of mouse and human ILC2s in vivo and vitro. Blocking glycolysis and HIF-1α in mice under interleukin-33 (IL-33) stimulation were performed to test ILC2 responses. Conditional HIF-1α-deficient mice were used to confirm the specific role of HIF-1α in ILC2-driven airway inflammation models. Transcriptomic, metabolic, and chromatin immunoprecipitation analyses were performed to elucidate the underlying mechanism. Results: HIF-1α is involved in ILC2 metabolism and is crucial in allergic airway inflammation. Single-cell sequencing data analysis and qPCR confirmation revealed a significant upregulation of glycolysis-related genes, particularly HIF-1α, in murine lung ILC2s after IL-33 intranasal administration or injection. Treatment with the glycolysis inhibitor 2-deoxy-D-glucose (2-DG) and the HIF-1α inhibitor 2-methoxyestradiol (2-ME) abrogated inflammation by suppressing ILC2s function. Conditional HIF-1α-deficient mice showed reduced ILC2 response and airway inflammation induced upon IL-33 or house dust mite (HDM) stimulation. Transcriptome and metabolic analyses revealed significantly impaired glycolysis in lung ILC2s in conditional HIF-1α knockout mice compared to that in their littermate controls. Chromatin immunoprecipitation results confirmed the transcriptional downregulation of glycolysis-related genes in HIF-1α-knockout and 2-DG-treated mice. Furthermore, impaired HIF-1α/glycolysis axis activation is correlated with downregulated ILC2 in patients with asthma. Conclusion: The HIF-1α/glycolysis axis is critical for controlling ILC2 responses in allergic airway inflammation and has potential immunotherapeutic value in asthma.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
HIF-1α介导的糖酵解是否通过调控ILC2功能参与过敏性气道炎症的发生。
核心机制
IL-33激活ILC2后上调HIF-1α表达,HIF-1α直接结合IL-5、IL-13及糖酵解基因(Hk1、Eno1、Pkm2、Ldha)的启动子,促进其转录,增强糖酵解和细胞因子产生,从而加重气道炎症。
主要证据
小鼠模型中2-DG或2-ME处理、ILC/ILC2特异性HIF-1α敲除均减轻IL-33/HDM诱导的气道炎症,降低ILC2比例、增殖和IL-5/IL-13产生,并伴随糖酵解相关基因和乳酸水平下降;ChIP证实HIF-1α直接结合靶基因启动子。
研究意义
研究揭示HIF-1α/糖酵解轴是ILC2介导的过敏性气道炎症的关键调控节点,为哮喘治疗提供了潜在靶点,2-DG和2-ME可能作为治疗策略。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

IL-33诱导的ILC2活化与糖酵解/HIF-1α上调

验证IL-33是否能激活ILC2的糖酵解代谢并上调HIF-1α表达。

通过鼻内或腹腔注射IL-33建立小鼠模型,分选肺ILC2,检测糖酵解相关基因表达、HIF-1α蛋白水平、乳酸浓度及细胞外酸化率(ECAR)和耗氧率(OCR)。

2

糖酵解抑制剂2-DG对ILC2功能和气道炎症的影响

验证抑制糖酵解是否能减轻ILC2功能及IL-33诱导的炎症。

体外培养ILC2加2-DG(10 mM)检测增殖、细胞因子、乳酸;体内IL-33模型加2-DG(2 g/kg)观察炎症评分、BALF细胞、嗜酸性粒细胞、ILC2数量和功能。

3

HIF-1α抑制剂2-ME对ILC2功能和气道炎症的影响

验证抑制HIF-1α是否能减轻ILC2功能及IL-33诱导的炎症。

体外培养ILC2加2-ME(200 μM)检测增殖、细胞因子、乳酸;体内IL-33模型加2-ME(30 mg/kg)观察炎症指标和ILC2功能。

4

HIF-1α条件性敲除对ILC2功能和气道炎症的影响

验证ILC/ILC2特异性HIF-1α缺失是否影响ILC2发育和功能,并减轻炎症。

构建Il7rcreΔHIF-1α和IL-5tdTomato-creΔHIF-1α小鼠,在IL-33或HDM诱导下评估肺组织炎症、ILC2数量和功能、糖酵解代谢及转录组变化。

5

HIF-1α直接调控靶基因转录的机制验证

验证HIF-1α是否直接结合IL-5、IL-13及糖酵解基因的启动子区域。

采用ChIP实验检测HIF-1α与靶基因启动子的结合,比较HIF-1α缺陷及2-DG处理后的结合变化。

6

过继转移实验验证HIF-1α/糖酵解轴的细胞内在作用

验证HIF-1α/糖酵解轴在ILC2中是否以细胞内在方式调控炎症。

将不同处理组供体小鼠的肺ILC2过继转移至NSG小鼠,再进行IL-33挑战,评估炎症程度和ILC2功能。

7

HDM诱导的过敏性气道炎症模型验证

验证在更接近临床的过敏原模型中,HIF-1α缺失是否同样减轻炎症。

对HIF-1αfl/fl、Il7rcreΔHIF-1α和IL-5tdTomato-creΔHIF-1α小鼠进行HDM致敏和挑战,评估炎症指标和ILC2功能。

8

临床样本中HIF-1α/糖酵解轴与哮喘严重程度的相关性分析

验证人外周血ILC2中HIF-1α/糖酵解轴是否与哮喘相关。

收集哮喘患者和健康对照PBMC,分选ILC2,检测HIF-1α及糖酵解基因表达、乳酸、ECAR/OCR,并分析与临床指标的相关性。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
淋巴细胞分离液STEMCELL7851
RPMI-1640培养基BI01-100-1ACS
胎牛血清BI04-121-1A
青霉素-链霉素溶液Gibco15140122
2-脱氧-D-葡萄糖SelleckS4701
2-甲氧基雌二醇SelleckS1233
重组小鼠IL-33BioLegend580506
重组小鼠IL-2NovoproteinCK24
重组小鼠IL-7NovoproteinCC73
重组人IL-33NovoproteinC091
重组人IL-2NovoproteinC013
重组人IL-7NovoproteinCX47
佛波醇12-豆蔻酸酯13-乙酸酯Sigma-AldrichP8139
离子霉素钙盐Sigma-AldrichI0634
布雷菲德菌素ASigma-AldrichB5936
Foxp3/转录因子染色缓冲液套装TONBOTNB-1022-L160
抗小鼠CD45抗体eBioscience47-0451-82
抗小鼠ST2抗体BioLegend145323
抗人CRTH2抗体BioLegend350122
人IL-5 ELISA试剂盒DogesceDG10314H
人IL-13 ELISA试剂盒DogesceDG10292H
小鼠IL-5 ELISA试剂盒Invitrogen88-7054-22
小鼠IL-13 ELISA试剂盒Invitrogen88-7137-22
乳酸比色检测试剂盒ElabscienceE-BC-K044-M
乳酸检测试剂盒Sigma-AldrichMAK065
Seahorse XFe96分析仪Agilent--
Seahorse XF细胞线粒体压力测试试剂盒Agilent103015-100
Seahorse XF糖酵解压力测试试剂盒Agilent103020-100
TRIzol试剂ECOTOPEK-5301
StarScript II第一链cDNA合成试剂盒GenstarA212-10
2×RealStar绿色荧光定量预混液GenstarA314-10
抗HIF-1α抗体CST36169T
EasySep小鼠全ILC富集试剂盒STEMCELL19875
EasySep人全ILC富集试剂盒STEMCELL17975
EasySep小鼠PE阳性选择试剂盒IISTEMCELL17666
EasySep人PE阳性选择试剂盒IISTEMCELL17664
I型胶原酶Gibco17018029
Percoll分离液GE17-0891-09

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
细胞分选与培养
分选试剂盒、抗体克隆号、ILC2纯度、培养密度、细胞因子浓度(IL-33、IL-2、IL-7)及抑制剂浓度(2-DG 10 mM,2-ME 200 μM)
阅读提示:Methods 2.6节
IL-33诱导模型
IL-33剂量(500 ng/只)、给药方式(鼻内)、时间(连续3天)、2-DG剂量(2g/kg)和2-ME剂量(30 mg/kg)及给药方式(腹腔注射)
阅读提示:Methods 2.7节
HDM诱导模型
HDM致敏剂量(1 μg)和挑战剂量(10 μg)、时间点(第1天致敏,第5-10天挑战,第14天取材)、给药方式(鼻内)
阅读提示:Methods 2.8节
条件性敲除小鼠
基因型(HIF-1αfl/fl, Il7rcreΔHIF-1α, IL-5tdTomato-creΔHIF-1α)、敲除效率验证(ILC2中HIF-1α表达降低,其他免疫细胞无影响)
阅读提示:Methods 2.2节及结果3.4节
过继转移实验
供体处理(IL-33±2-DG/2-ME)、ILC2分选数量(1.8×10^4)、受体NSG小鼠、注射方式(静脉)、IL-33再挑战(鼻内3天)
阅读提示:Methods 2.11节及结果3.6节
代谢分析
Seahorse实验细胞数(小鼠I LC2 2×10^4,人ILC2 1×10^4)、培养基(XF DMEM)、底物浓度(葡萄糖10 mM、谷氨酰胺2 mM、丙酮酸1 mM)、检测时间(基础、加入寡霉素、FCCP、鱼藤酮/抗霉素A)
阅读提示:Methods 2.12节
ChIP实验
细胞固定(1%甲醛)、超声裂解、抗体(抗HIF-1α)、靶基因引物(IL-5、IL-13、Hk1、Eno1、Pkm2、Ldha)及input对照
阅读提示:Methods 2.14节
RNA-seq
样本池(3个重复,每个9-12只小鼠)、测序平台(BGI-Wuhan)、差异基因筛选标准(fold change >1.5, p<0.05)
阅读提示:Methods 2.15节
临床样本分析
受试者招募标准(哮喘诊断依据GINA,排除近期使用皮质类固醇)、样本量(37例哮喘,37例健康对照)、ILC2分选策略、临床指标收集(IgE、FEV1%、FEV1/FVC)
阅读提示:Methods 2.1节和2.5节