點評 | 徐墨（北京生命科學研究所/清華大學）、蘇曉磊（耶魯大學）

炎癥是身體抵御外界侵害、維持健康狀態的重要機制。然而，過度或失控的炎癥反應可能導致組織損傷甚至疾病發展【1,2】。長期以來，科研界對炎癥如何影響器官功能及組織微環境已有廣泛研究，但“組織微環境如何反過來調控炎癥”這一問題，尤其是炎癥誘導的酸性環境，仍缺乏深入理解。

正常情況下，身體各個組織都有自己穩定的 pH范圍【3】。 例 如，血液中的pH值被嚴格控制在7.35-7.45之間，任何偏離都可能是疾病的信號，比如嚴重感染時出現酸中毒。大腦、淋巴結和腫瘤組織的 pH也會因缺血、感染或代謝異常而發生變化，局部環境變得更酸。

細胞不僅能夠維持pH，還能感知pH變化。細胞表面存在一些已知的“感應器”，它們可以檢測周圍環境的酸堿度并調節身體反應【4-7】，比如調控代謝、維持血液酸堿平衡，甚至讓你在運動時感到疼痛。然而，細胞內部是否存在直接感知pH變化的機制，至今仍是一個關鍵的未解問題。特別是在免疫系統中，巨噬細胞扮演著“前哨”的角色，負責感知異常并快速反應，對環境變化高度敏感。它們會根據外界信號調整大量基因的表達，從而調控免疫反應，巨噬細胞是否能夠通過感知 pH變化并調整自身功能，是該研究試圖回答的核心問題。

2025年7月17日，波士頓兒童醫院（Boston Children’s Hospital）/哈佛大學醫學院（Harvard Medical School）周旭（Xu Zhou）課題組和耶魯大學Ruslan Medzhitov研究團隊在Cell期刊上在線發表了題為Regulation of inflammatory responses by pH-dependent transcriptional condensates的研究論文，該研究系統性的揭示了炎癥過程中形成的酸性環境如何通過pH依賴性的機制調控炎癥反應，首次發現 BRD4 凝聚體（condensates）可作為細胞內pH傳感器，從而以基因特異性表達方式調控巨噬細胞的炎癥強度。這一機制為理解免疫系統如何根據組織微環境進行動態響應提供了新視覺。

炎癥反應伴隨著組織微環境 pH值的下降，但免疫細胞是否以及如何感知這些變化尚不清楚。研究團隊在 LPS刺激的小鼠模型外周血中及體外培養的巨噬細胞上清中均檢測到炎癥相關的酸性pH變化 （約6.5）。為探究pH對炎癥反應的調控作用，研究人員進一步將體外培養的巨噬細胞分別置于pH 7.4 或 pH 6.5的培養基中預處理4小時，隨后加入脂多糖（Lipopolysaccharide,LPS）繼續刺激4小時，模擬炎癥誘導下的酸性環境。結果顯示，不同炎癥因子對酸性 pH的響應存在顯著差異：部分對pH變化不敏感，部分在酸性條件下表達被抑制，另一部分在酸性條件下反而被誘導，且這種差異可在轉錄水平和蛋白水平上被檢測到。通過進一步RNA-seq與線性去卷積模型，研究人員從1620個差異表達基因中識別出三類對pH響應不同的LPS誘導的基因：pH不敏感基因（主要涉及先天免疫與抗細菌反應）、pH抑制型基因（富集于抗原呈遞、抗病毒及炎癥調節通路）和pH協同型基因（與血管生成和T細胞分化等過程相關）。這些結果表明：酸性pH并不是單純抑制炎癥，而是通過獨特的程序調控特定的基因表達，重塑炎癥反應。

值得注意的是，這種pH依賴性的表達調控并不依賴于巨噬細胞中高表達的已知pH 感應分子（如Gpr65, Gpr68）、低氧感受因子（ 如Hif1a 、Hif2a），亦不依賴于炎癥小體活化、蛋白翻譯抑制、DNA復制或轉錄抑制，也不受TLR4與干擾素信號通路影響，提示這些pH依賴的表達調控發生在轉錄激活層面。ATAC-seq和ChIP-seq分析表明，酸性pH僅對特定基因的染色質可及性與增強子活性造成影響，而不會造成全基因組范圍的表觀遺傳改變。研究發現，pH抑制型基因的啟動子呈現更低的H3K4me3與H3K27ac修飾，增強子活性也被抑制。

為了尋找介導pH響應的“核心開關”，研究人員基于酵母中已知pH敏感蛋白的特征氨基酸特征（富含質子化的氨基酸、中性電荷、富集脯氨酸/天冬氨酸），在哺乳動物蛋白數據庫中進行了系統性篩選，鎖定了轉錄因子 BRD4。 BRD4是已知的增強子調控的重要因子，富含無序結構區（IDR），能與MED1、P-TEFb、Pol II等形成液-液相分離（L LPS）驅動的轉錄凝聚體（transcriptional condensates）。

實驗證明，酸性條件下（pH 6.5）可破壞BRD4凝聚體的形成，且過程可逆：將細胞重新置于中性pH培養基中， BRD4凝聚體可迅速恢復，對應的 pH敏感基因表達也同步恢復。重要的是，pH敏感的基因有70%左右是受BRD4調控的，過表達 BRD4 的IDR可以挽救pH敏感型基因的表達。 BRD4 的IDR區段中存在兩段富含組氨酸 (His) 與Pro/Glu的序列（aa721-800和aa1001-1080）。突變實驗顯示，這些組氨酸是酸敏感性調控的關鍵。由于組氨酸pKa約為6.0， 可在弱酸條件下發生質子化，改變蛋白質相互作用，破壞凝聚體的形成。將組氨酸突變為丙氨酸后，BRD4凝聚體在酸性pH下不再解聚，驗證了組氨酸在pH感應中的功能。更有趣的是，人工將組氨酸序列插入FUS蛋白的N端IDR結構域中，也可賦予其響應酸性，說明組氨酸簇可作為模塊化的pH響應元件。

此外， BRD4不僅調控炎癥相關基因，還促進糖酵解關鍵酶表達，而LPS刺激后巨噬細胞糖酵解顯著增強，導致細胞內pH下降，反過來抑制BRD4凝聚體。應用BRD4抑制劑（JQ1）可顯著抑制糖酵解過程。該發現提示：BRD4通過調控糖代謝促進局部酸化，而pH下降反過來調控brd4凝聚體解聚，構成一個炎癥-代謝耦合的負反饋調控回路，限制過度炎癥。

本研究從細胞微環境視角出發，首次提出轉錄凝聚體作為pH傳感器的概念，揭示了看一系統如何感應并適應炎癥相關的酸性環境，從而實現對基因表達的動態、可逆調控。該機制不僅有助于闡明慢性炎癥、自身免疫及組織修復中的調控邏輯，也為開發靶向細胞內pH和BRD4結構的新型抗炎藥物提供理論依據。

本研究由波士頓兒童醫院（Boston Children’s Hospital）/哈佛大學醫學院（Harvard Medical School）周旭（Xu Zhou）教授和耶魯大學（Yale University）Ruslan Medzhitov教授共同通訊，博士后吳中洋（Zhongyang Wu）博士和Scott D. Pope博士為該論文共同第一作者。

周旭博士積極推動青年人才培養與跨學科合作，參與和主持免疫學博士和碩士研究生項目，鼓勵申請獨立科研基金。歡迎對炎癥機制、免疫編程、微環境感應與疾病調控感興趣的學者加盟，共同探索下一代免疫研究的關鍵問題與應用潛力。“The immune system never acts alone; understanding the tissue ecology of immunity will guide restoration of inflammation to a state of health”.

近期，第一作者吳中洋博士準備開始申請高校和研究所教職。未來研究會繼續聚焦于慢性炎癥機制、表觀遺傳調控以及生物凝聚體在疾病中的功能與干預潛力，致力于構建跨尺度的免疫調控機制圖譜。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00735-4

專家點評

徐墨（北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院，助理教授）

酸性環境踩剎車：BRD4凝聚體感應pH調控炎癥

炎癥是機體對感染或損傷的重要防線，但反應過度卻可能傷及自身，成為“雙刃劍”。有趣的是，在許多嚴重炎癥狀態下，組織微環境會發生酸化：膿毒癥患者出現酸中毒往往預示預后不良，淋巴結在感染時也會變得偏酸。這些現象早已被觀察到，但一個長久未解的問題是：免疫細胞是否能感知組織酸化，并據此調節炎癥反應？今天，哈佛大學周旭實驗室和耶魯大學Ruslan Medzhitov實驗室合作在Cell發表的研究Regulation of inflammatory responses by pH-dependent transcriptional condensates，首次揭示了細胞內酸感受的轉錄機制：轉錄共調控因子BRD4可充當細胞內的pH感受器，細胞內微環境變酸時BRD4與Mediator復合物形成的轉錄凝聚體會解聚，從而調整炎癥基因的表達強度。這一發現為炎癥反應添加了一層“負反饋剎車”，也將液-液相分離與免疫調控之間建立起了新的聯系。

BRD4：首個被驗證的細胞內酸感受器

作者首先在巨噬細胞中觀察到，暴露于pH 6.5這一弱酸性環境時，其炎癥基因表達譜發生顯著重塑：部分因子如IFN-β、IL-23升高，而經典炎癥因子如IL-6、IL-1β反而被抑制。這種“有抑有升”的基因表達重編程提示酸性信號并非普遍抑制，而是精細調控。通過篩選具有pH敏感序列的調控蛋白并結合多組學分析，作者鎖定了BRD4——一個含bromo domain的轉錄共激活因子，作為介導這一響應的關鍵節點，并驗證其在哺乳動物細胞中可直接感應pH變化。

pH調控相分離：轉錄凝聚體的可塑性調節

近年來，液-液相分離成為細胞生物學的研究熱點。眾多轉錄因子和共調控分子可通過其富含IDR（intrinsically disordered region）結構域，在細胞核形成凝聚體以調控基因表達。BRD4和Mediator的MED1亞基均可形成轉錄“液滴”，在超級增強子等區域富集并激活基因轉錄。本論文的新穎之處在于，首次將pH這一理化參數引入相分離調控模型。他們揭示BRD4的IDR中富含組氨酸，當pH降低、組氨酸質子化后，BRD4之間的相互作用減弱，液滴隨之解體。也就是說，細胞不僅利用相分離來增強轉錄活性，也能借助酸堿度的變化反向調控這一過程，實現轉錄網絡的動態自適應。這一點尤其令人印象深刻，為理解“環境感應型轉錄調控”打開了新思路，也使我們追問是否還有更多環境因素可能通過影響相分離狀態來參與基因調控？

pH作為免疫負反饋信號的意義

更有意義的是，這種機制構成了炎癥反應的一種自我限制模式。當炎癥發生、代謝活躍，組織酸化便不可避免。此時，BRD4凝聚體因酸性而解聚，抑制部分炎癥因子的表達，從而形成一個負反饋環節，幫助免疫系統避免過度損傷。作者在小鼠模型中進一步驗證了這一機制的存在，證明局部酸化可通過BRD4液滴解聚顯著緩解炎癥。這提示我們，pH不只是炎癥代價的“副產品”，也是調節炎癥強度的重要“信號”。

新的問題和探索方向

這項工作提出了令人振奮的機制框架，也拋出了許多需要進一步解決的問題。

首先，BRD4作為pH感應器是否具有普適性？該研究主要聚焦巨噬細胞，但BRD4廣泛表達于多種免疫細胞和非免疫細胞，作者也觀察到其在成纖維細胞、上皮細胞中同樣受到pH調控。未來是否可以在淋巴細胞等背景中驗證其酸感應功能，并解析其調控下游基因的差異？

其次，該機制是否適用于其他炎癥通路？目前模型以LPS刺激為主，是否也存在于病毒感染、腫瘤相關炎癥或無菌性炎癥等場景中？這將影響我們對其免疫學意義的評估廣度。

第三，除了BRD4，是否還有其他pH敏感的核內調控分子？組氨酸富集的IDR結構并不少見，是否還存在未被識別的“酸感應型”轉錄調控蛋白？

最后，該通路在更具生理/病理意義的體內疾病模型中的作用和可干預性如何？例如在慢性炎癥性疾病或自體免疫病中，靶向調節BRD4相分離行為，是否能為精準抗炎提供新思路？

總而言之，周旭和Ruslan Medzhitov實驗室的研究將“酸堿度”這一經典理化概念融入了免疫應答的調控邏輯，拓寬了我們對炎癥自限機制的認識。它以精致的實驗揭示出pH—BRD4—相分離—基因表達之間的調控軸，為今后理解環境參數對免疫細胞命運決策的影響，提供了極富啟發性的范例。

專家點評

蘇曉磊 （耶魯大學，助理教授）

Immune responses are finely tuned by chemical, physical, and biological cues in the tissue microenvironment. In a landmark study led by Dr. Xu Zhou at Boston Children’s Hospital and Harvard Medical School, researchers uncovered a novel mechanism by which macrophages sense extracellular pH and translate this signal into transcriptional regulation through biomolecular condensation. Key discoveries include:

1. Dynamic intracellular pH adaptation: Macrophages adjust their cytosolic and nuclear pH in response to environmental changes, challenging the conventional view of tightly buffered intracellular pH.

2. pH-sensitive BRD4 condensation: The transcriptional regulator BRD4 forms pH-dependent condensates that modulate gene expression, effectively acting as a pH sensor.

3. Critical role of histidine protonation: pH-responsive condensation is driven by protonation of histidine residues within BRD4’s disordered regions.

A plethora of transcriptional regulators have been found to undergo functionally condensation. It remained to be explored whether and how pH would regulate condensation of these transcriptional regulators. Moreover, recent reports suggest that condensates can maintain a distinct pH from the surrounding milieu. This raises compelling questions: What is the internal pH of BRD4 condensates? How might this microenvironment influence the recruitment of cofactors or other transcriptional machinery? Future work addressing these questions could deepen our understanding of how cells leverage phase separation to sense and respond to metabolic and environmental signals.

制版人： 十一

參考文獻

1. Meizlish, M.L., Franklin, R.A., Zhou, X., and Medzhitov, R. (2021). Tissue Homeostasis and Inflammation.Annu Rev Immunol39, 1–25. https://doi.org/10.1146/annurev-immunol-061020-053734.

2. Medzhitov, R. (2021). The spectrum of inflammatory responses.Science374, 1070–1075. https://doi.org/10.1126/science.abi5200.

3. Hajjar, S., and Zhou, X. (2023). pH sensing at the intersection of tissue homeostasis and inflammation.Trends Immunol.44, 807–825. https://doi.org/10.1016/j.it.2023.08.008.

4. Levin, L.R., and Buck, J. (2014). Physiological Roles of Acid-Base Sensors.Annu Rev Physiol77, 347--362. https://doi.org/10.1146/annurev-physiol-021014-071821.

5. Molliver, D.C., Immke, D.C., Fierro, L., Paré, M., Rice, F.L., and McCleskey, E.W. (2005). ASIC3, an acid-sensing ion channel, is expressed in metaboreceptive sensory neurons.Mol. Pain1, 35. https://doi.org/10.1186/1744-8069-1-35.

6. Chen, X., Jaiswal, A., Costliow, Z., Herbst, P., Creasey, E.A., Oshiro-Rapley, N., Daly, M.J., Carey, K.L., Graham, D.B., and Xavier, R.J. (2022). pH sensing controls tissue inflammation by modulating cellular metabolism and endo-lysosomal function of immune cells.Nat Immunol, 1–13. https://doi.org/10.1038/s41590-022-01231-0.

7. Sun, X., Yang, L.V., Tiegs, B.C., Arend, L.J., McGraw, D.W., Penn, R.B., and Petrovic, S. (2010). Deletion of the pH Sensor GPR4 Decreases Renal Acid Excretion.J. Am. Soc. Nephrol.21, 1745–1755. https://doi.org/10.1681/asn.2009050477.

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