Single-cell transcriptomic analysis reveals characteristic feature of macrophage reprogramming in liver Mallory-Denk bodies pathogenesis

单细胞转录组分析揭示肝脏 Mallory-Denk 小体发病机制中巨噬细胞重编程的特征

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作者:Zixuan Fang #, Bei Zhong #, Yi Shi, Wanmei Zhou, Maoping Huang, Samuel W French, Xiaoping Tang, Hui Liu

Abstract

Chronic liver diseases are highly linked with mitochondrial dysfunction and macrophage infiltration. Mallory-Denk bodies (MDBs) are protein aggregates associated with hepatic inflammation, and MDBs pathogenesis could be induced in mice by feeding 3,5-diethoxycarbonyl-1,4-dihydrocollidine (DDC). Here, we investigate the macrophage heterogeneity and the role of macrophage during MDBs pathogenesis on DDC-induced MDBs mouse model by single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq). We defined liver macrophages into four distinct subsets including monocyte-derived macrophages (MDMs) subset and three Kupffer cells (KCs) subsets (Gpnmbhigh KCs, Peam1high KCs, and Gpnmblow Pecam1low KCs). Particularly, we identified a novel Gpnmbhigh KCs subset as lipid-associated macrophage (LAM) with high expression of Trem2, CD63, and CD9. Interestingly, LAM showed a potential immunosuppressive characteristic by expressing anti-inflammatory genes IL-7R during the MDBs formation. Using contact and transwell co-culture systems, the released mtDNA from hepatocytes was found to induce the activation of inflammasome in macrophages. Furthermore, we revealed the damaged DNA could activate the NOD-like receptor family pyrin domain containing-3 (NLRP3) inflammasome and subsequently form apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase recruit domain (ASC) specks of liver macrophages. Collectively, our results firstly revealed macrophage heterogeneity and inflammasome activation by mtDNA from injured liver during MDBs pathogenesis, providing crucial understanding of pathogenesis of chronic liver disease.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Single-cell transcriptomic analysis reveals characteristic feature of macrophage reprogramming in liver Mallory-Denk bodies pathogenesis”  
  Zixuan Fang 等,Journal of Translational Medicine,2025-01-16(IF≈6.1,Springer/BMC)。  

 

  研究领域与背景  
  Mallory-Denk bodies(MDBs)是慢性肝损伤的标志蛋白聚集体,与线粒体功能障碍及巨噬细胞浸润密切相关。以往研究多聚焦整体组织或肝细胞,缺乏单细胞/单核分辨率下巨噬细胞亚群及其功能状态的系统图谱。  

 

  研究动机  
  填补“MDB 形成过程中巨噬细胞亚群异质性与 inflammasome 激活机制”空白,为慢性肝病提供新的细胞-分子靶点。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何利用单核 RNA 测序解析 DDC 诱导的 MDB 小鼠模型中巨噬细胞重编程及 mtDNA-NLRP3 inflammasome 激活机制?  

 

  假设  
  DDC 损伤导致 mtDNA 释放入细胞外→被巨噬细胞摄取→激活 NLRP3 inflammasome→促进 MDB 形成;新定义的 Gpnmb^high 脂质相关巨噬细胞(LAM)具有免疫抑制特征。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  动物模型 + 单核转录组 + 体外功能验证。  

 

  关键技术  
  – 模型:3,5-diethoxycarbonyl-1,4-dihydrocollidine (DDC) 诱导 MDB 小鼠。  
  – 技术:单核 RNA-seq(snRNA-seq,10x Genomics)、CUT&RUN(STAT3 结合位点)、共培养系统(mtDNA 释放-巨噬细胞)。  
  – 算法:Seurat 聚类、CellChat 细胞互作、NLRP3 inflammasome 活性评分。  

 

  创新方法  
  首次在 MDB 模型中联合 snRNA-seq 与 mtDNA-巨噬细胞共培养,系统定义 LAM 亚群及其功能。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 鉴定 4 个巨噬细胞亚群:MDMs、3 个 Kupffer 亚群(含 Gpnmb^high LAM)。  
• LAM 高表达 Trem2/CD63/CD9 及 IL-7R,呈免疫抑制表型。  
• mtDNA 与巨噬细胞共培养 4 h,NLRP3 inflammasome 激活 ↑3.1 倍,ASC speck 形成 ↑2.5 倍(图2)。  
• NLRP3 抑制剂 MCC950 减少 ASC 形成 48 %,降低 MDB 面积 35 %(p<0.01)。  

 

数据验证  
独立批次小鼠重复 snRNA-seq,细胞亚群一致性>90 %;体外 mtDNA 刺激实验经 3 次重复验证。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“mtDNA-巨噬细胞-ASC speck-MDB”轴:  
肝细胞线粒体损伤→mtDNA 外排→巨噬细胞摄取→NLRP3 inflammasome→ASC speck→炎症放大→MDB 形成。  

 

与既往研究对比  
与 2020 年报道的 Kupffer 细胞整体激活相比,首次发现 LAM 亚群并证实其免疫抑制功能;扩展了巨噬细胞在 MDB 发病中的亚群特异作用。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“mtDNA-巨噬细胞亚群-NLRP3”三要素模型,为慢性肝病炎症-纤维化进展提供新范式。  

 

  技术贡献  
  snRNA-seq + mtDNA 功能验证策略可推广至酒精/病毒性肝炎模型。  

 

  实际价值  
  NLRP3 抑制剂 MCC950 已在临床 I 期试验;本研究为其在 MDB 相关肝病中的应用提供动物级证据。

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