# 訊號交會之處：PARP1 作為發炎與激素計畫的組織特異性調控因子（At the Crossroads of Signaling: PARP1 as a Tissue-Specific Mediator of Inflammatory and Hormonal Programs） - **會議／場次：** ENDO 2026；SY43 — Steroid Receptor Actions in Immunity - **短講：** SY43-01 — At the Crossroads of Signaling: PARP1 as a Tissue-Specific Mediator of Inflammatory and Hormonal Programs - **講者：** Dan Huang, MD, PhD ## 整理稿 ### 會議開場與演講者介紹 本節會議主題為「免疫中的類固醇受體作用（Steroid Receptor Actions in Immunity）」。主持人（來自愛荷華大學醫學院）在開場時提醒與會者可參加當晚的基礎科學交流會，並介紹首位演講者——來自德州大學西南醫學中心（UT Southwestern Medical Center）Cecil H. 與 Ida Green 婦產科生物科學研究中心的 Dan Huang 醫師兼哲學博士（Dan Huang, MD, PhD）。 Dan Huang 博士表示，他於大約一年前從臨床醫師轉型為基礎科學家。在探索「類固醇受體與免疫」這一主題時，研究團隊核心在於解答兩個根本問題： 1. **激素訊號（hormonal signaling）如何調控發炎反應（inflammatory responses）**？ 2. 反過來說，**發炎訊號如何調控核受體（nuclear receptors）的功能**？ 本篇演講即聚焦於這兩條核心訊號通路的交會點。 --- ### ADP-核糖基化與 PARP1 生物學 Dan Huang 博士的研究長期聚焦於 **ADP-核糖基化（ADP-ribosylation）**，這是一種蛋白質的轉譯後修飾（post-translational modification, PTM）。相較於甲基化（methylation）或乙醯化（acetylation）等已廣為人知的 PTM，ADP-核糖基化的了解程度仍相對較少。 在 ADP-核糖基化過程中，聚（ADP-核糖）聚合酶（poly(ADP-ribose) polymerase, PARP）會將來自菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+）的 ADP-核糖（ADP-ribose）轉移至多種受體或基質蛋白質（acceptor or substrate proteins）上，形成單一 ADP-核糖的共價結合（單-ADP-核糖基化，mono-ADP-ribosylation, MAR），或是形成 ADP-核糖聚合物（聚-ADP-核糖基化，poly(ADP-ribosylation), PAR）。 ADP-核糖基化是一個動態且受到精密調控的系統： * **寫入者（Writers）**：如 PARP 家族酶，負責催化並加上 ADP-核糖基化修飾。 * **橡皮擦（Erasers）**：如 PARG 與 ARH3，負責可逆地切除修飾。 * **讀取者（Readers）**：自然界演化出的天然蛋白質結構域，對不同型態的 ADP-核糖具有獨特親和力，能專一性識別 MAR 或 PAR。 * **供給者（Feeders）**：由於 NAD+ 是 ADP-核糖基化的催化基質，NAD+ 的生物合成對修飾極為關鍵。負責 NAD+ 合成的酶家族——如 NMNAT 家族——被定義為 ADP-核糖基化的供給者。 PARP 酶家族包含 17 個不同成員，分別具有 mono- 或 poly(ADP-ribose) transferase 活性，且其蛋白質結構、細胞內定位、酶活性與生物學功能各不相同。 其中，**PARP1** 是 PARP 家族的創始成員，也是細胞內產生 PAR 化的最主要貢獻者，**承載了細胞中約 80% 的 PAR 化活性**。PARP1 定位於細胞核並與染色質相連，在 DNA 修復（DNA repair）與 DNA 複製（DNA replication）等核內過程中發揮關鍵作用。 基於 PARP1 在 DNA 損傷應答中的分子機制，醫學界成功研發出 PARP 抑制劑（PARP inhibitors）。迄今，美國食品藥物管理局（FDA）已核准 4 款 PARP 抑制劑用於治療乳癌（breast cancer）、卵巢癌（ovarian cancer）與前列腺癌（prostate cancer）。這些抑制劑主要作用於 PARP1 與 PARP2，並與同源重組缺陷（homologous-recombination deficiency, HRD，如 *BRCA* 基因突變）結合，在腫瘤細胞中引發合成致死（synthetic lethality）。 除了 DNA 損傷應答外，PARP1 在轉錄調控中亦扮演要角。研究顯示，PARP1 及 PARP1 介導的 PAR 化能透過多種轉錄因子（包括核受體）調控多種生物學過程，例如心臟重塑（cardiac remodeling）、血管纖維化（vascular fibrosis）、脂肪生成（adipogenesis）及肝臟疾病；也可透過 STAT1α 和 NF-κB 等發炎轉錄因子參與免疫與發炎反應。 --- ### NAD+ 合成與訊號感應型轉錄 PARP 酶的催化活性與 NAD+ 的合成密切相關。NAD+ 在 ADP-核糖基化反應中被大量消耗，必須不斷再生。在哺乳類細胞中，利用菸鹼醯胺（nicotinamide）合成 NAD+ 的**救援途徑（salvage pathway）**對維繫 NAD+ 依賴型 PARP 活性及細胞功能至關重要。 NMNAT 酶催化該合成途徑的最後一步，將菸鹼醯胺單核苷酸（nicotinamide mononucleotide, NMN）與 ATP 轉化為 NAD+。哺乳類細胞包含 3 種不同定位的 NMNAT 同分異構物： * **NMNAT1**：定位於細胞核（nucleus）。 * **NMNAT2**：定位於細胞質（cytosol）與高基氏體（Golgi）。 * **NMNAT3**：定位於粒線體（mitochondria）。 不同定位的 NMNAT 負責維持各個細胞器獨立的 NAD+ 庫（subcellular NAD+ pools）。 NAD+ 依賴型 PARP1 的激活可對多種細胞外訊號傳導途徑做出快速應答，包括類固醇激素（steroid hormones）、多肽激素（polypeptide hormones）以及發炎訊號。在應答這些訊號時，PARP1 能與轉錄因子相互作用或直接對其進行共價修飾，進而重塑轉錄計畫。 被 PARP1 調控的轉錄因子包含： * **類固醇核受體**：雌激素受體 α（estrogen receptor alpha, ERα）、孕酮受體（progesterone receptor, PR）。 * **非類固醇核受體**：PPARα、PPARγ。 * **bZIP 家族轉錄因子**：C/EBPβ（證實為 PARP1 介導 PAR 化的底物）。 演講者透過兩個具體研究故事，說明 PARP1 如何分別在肥胖中的巨噬細胞，以及懷孕期間的心肌細胞中調控免疫代謝與激素訊號。 --- ### 巨噬細胞 PARP1 在脂肪組織恆定與肥胖中的角色 第一個研究故事著眼於 PARP1 在白色脂肪組織（white adipose tissue, WAT）中的組織特異性調控功能。脂肪組織是肥胖及其相關代謝併發症的核心貢獻者。然而脂肪組織具有高度異質性，包含成熟脂肪細胞、脂肪前驅細胞（adipocyte precursors / preadipocytes），以及巨噬細胞、T 細胞與自然殺手細胞（natural killer cells, NK cells）等免疫細胞群。 講者團隊先前研究已顯示，特定前驅脂肪細胞中的 PARP1 能控制脂肪生成（adipogenesis）進程。若**敲除前驅脂肪細胞中的 PARP1**，會顯著促進前驅脂肪細胞分化為新生的成熟脂肪細胞，進而在高脂飲食（high-fat diet, HFD）誘發下加劇小鼠的肥胖程度。 由於脂肪組織巨噬細胞（adipose tissue macrophages）是脂肪組織中最主要的免疫細胞類型，團隊進一步探討：**巨噬細胞中的 PARP1 在調控脂肪組織發炎與代謝環境中扮演何種角色**？巨噬細胞 PARP1 又如何影響細胞間的相互作用（例如巨噬細胞對脂肪細胞與前驅細胞的調控，以及免疫細胞間的對話）？ 團隊建立了**巨噬細胞特異性敲除 PARP1 的小鼠模型**，並進行為期 **12 週的高脂飲食餵食**。實驗結果顯示： 1. 巨噬細胞特異性敲除 PARP1 的小鼠展現出**脂肪細胞肥大（adipocyte hypertrophy）與擴張加劇**。 2. 脂肪組織中**巨噬細胞浸潤（macrophage infiltration）顯著增加**。 3. 最終表現型與前驅脂肪細胞敲除類似：巨噬細胞 PARP1 缺失加劇了高脂飲食誘發的肥胖，並**最終引發小鼠的胰島素阻抗（insulin resistance）**。 在機制探索層面，團隊評估了巨噬細胞與前驅脂肪細胞之間的細胞對話： * 收集來自 PARP1 野生型（WT）或基因敲除（KO）小鼠的骨髓來源巨噬細胞（bone marrow-derived macrophages, BMDMs）培養基，以脂多醣（lipopolysaccharide, LPS）刺激後，將此**條件培養基（conditioned medium）**用於前驅脂肪細胞的分化培養。 * 結果發現：敲除巨噬細胞 PARP1 會大幅**降低促發炎細胞激素（proinflammatory cytokines）的表達與分泌**。 * 使用此種促發炎因子較少的條件培養基處理前驅脂肪細胞，觀察到**脂肪生成與脂肪形成基因表達顯著增強**。這項 conditioned-medium 實驗支持：巨噬細胞缺失 PARP1 後，促發炎細胞激素下降可能促進前驅脂肪細胞分化；它尚不能單獨證明所有體內肥胖表型均由此路徑造成。 然而，在普遍下調的發炎因子中，**細胞激素 IL-27 展現出截然相反的變化**：在 PARP1 敲除或抑制的細胞與組織中，IL-27 的表達與分泌顯著上升。團隊將 IL-27 直接作用於分化過程中的前驅脂肪細胞，發現 **IL-27 具有雙重效應**： 1. 它不僅能**增強脂肪細胞生成（adipogenesis）**； 2. 同時還會誘發多種脂肪細胞激素（adipokines）與細胞激素的表達及分泌；講者認為這類分泌變化可能連結至小鼠的不良代謝結局，但本段未建立 IL-27 單一路徑的完整體內因果鏈。 進一步透過單細胞 RNA 測序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）分析脂肪組織中的免疫細胞網絡，結果發現： * 巨噬細胞敲除 PARP1 會改變脂肪組織的細胞組成：**巨噬細胞、NK 細胞與單核細胞的比例增加**，而 **B 細胞與 T 細胞的比例下降**。 * 細胞間通訊分析（cell-communication analysis）顯示，巨噬細胞缺失 PARP1 顯著**增強了 NK 細胞與巨噬細胞之間的相互作用**。 總結第一部分，PARP1 是維持白色脂肪組織恆定的關鍵調控因子。巨噬細胞中 PARP1 的缺失會透過重塑免疫細胞間的網絡，以及改變巨噬細胞與脂肪細胞之間的交叉對話，進而促進肥胖與代謝功能障礙。 --- ### 心肌細胞 PARP1 與母體懷孕心臟適應 第二個研究故事轉向心肌細胞中的 PARP1，探討其如何介導懷孕期間母體心臟適應（maternal cardiac adaptation）中的激素訊號傳導。 懷孕是一項由多種激素訊號驅動的複雜生理過程。懷孕期間，類固醇激素（如雌激素與孕酮）大幅增加並在分娩前達到峰值。激素劇烈波動一方面對胎兒發育至關重要，另一方面也促使母體全身系統產生生理性適應。例如，母體免疫系統會對激素訊號產生應答，發生細胞組成重塑：中性粒細胞（neutrophils）與單核細胞（monocytes）增加，而 T 細胞與 NK 細胞減少，輔助性 T 細胞（T-helper cells）亦發生表型切換。 在心血管層面，對比非懷孕小鼠與懷孕晚期（late pregnancy）小鼠的心臟，可觀察到顯著的生理變化： * 懷孕晚期母體心臟會發生**生理性心肌肥大（physiological hypertrophy）與整體增大**。 * 表現為**左心室（left ventricle）擴大**與**左心室壁厚度增加**。 * **心率（heart rate）、心輸出量（cardiac output）及血容量（blood volume）顯著提升**，以滿足母體與胎兒增加的生理需求。 心臟的能量代謝模式在懷孕晚期亦發生重塑：主要能量來源為脂肪酸與葡萄糖，為因應心肌肥大的高能量需求，懷孕晚期的心肌代謝進一步**增強脂肪酸氧化（fatty-acid oxidation, FAO）**，適度增加對乳酸（lactate）與酮體（ketones）的利用，並**下調葡萄糖氧化（glucose oxidation）**。 組織蛋白質分析顯示：在小鼠各類組織中，**心血管系統（如心臟與動脈）及骨骼肌的 PAR 化水平最高，比其他組織高出數倍**。根據人類蛋白質圖譜（Human Protein Atlas）資料，PARP1 是心臟組織中最主要的 PARP 酶。因此，團隊假設 PARP1 介導的 PAR 化在調控心臟功能與懷孕適應中發揮核心作用。 為評估心肌細胞 PARP1 的功能，團隊構建了**心肌細胞特異性、tamoxifen-inducible PARP1 敲除小鼠**（以避免 constitutive knockout 本身造成心臟缺陷）。實驗證實敲除小鼠心臟組織中 PARP1 成功缺失且 PAR 化水平下降。團隊隨後建立懷孕小鼠模型，評估心臟功能與懷孕結局： 1. **心臟型態變化**：在懷孕晚期，心肌細胞特異性敲除 PARP1 的小鼠心臟體積明顯小於野生型，**心臟重量顯著下降**。 2. **組織學觀察**：單一心肌細胞體積縮小，但伴隨**心臟組織纖維化（cardiac fibrosis）增加**，提示心臟適應性肥大不足可能轉化為心臟功能障礙。 3. **心臟超音波（Echocardiogram）評估**：在非懷孕狀態下，野生型與敲除小鼠的心臟功能無顯著差異；但在**懷孕晚期，敲除小鼠的心臟功能出現劇烈下降**，其射血分率（ejection fraction, EF）與短軸縮短率百分比（fractional shortening percentage, FS%）均顯著減退。 --- ### 激素調控之基因表達與心臟代謝 為釐清懷孕期間激素（特別是孕酮與雌激素）如何透過 PARP1 調控心臟功能，團隊尋找 PARP1 的分子基質： * 透過免疫沉澱（immunoprecipitation, IP）拉下心臟組織中所有被 ADP-核糖基化的蛋白質，並進行質譜分析（mass-spectrometry analysis, MS）。 * 質譜結果顯示，多數 PARP1 介導的 ADP-核糖基化基質高度富集於**轉錄調控（transcriptional regulation）與染色質調控（chromatin regulation）**通路。 團隊隨後對懷孕晚期小鼠的心臟組織進行 RNA 測序（RNA sequencing, RNA-seq）： 1. 懷孕晚期敲除 PARP1 會導致心臟基因表達發生劇烈改變，差異表達基因顯著富集於轉錄調控、訊號轉導與免疫應答調控。 2. **心力衰竭標記基因上調**：編碼 B-type natriuretic peptide（BNP）的 ***Nppb* 基因上調**；這是與心臟壓力／心衰竭相關的標記，支持但不單獨證明 PARP1 敲除會造成心肌細胞功能障礙。 3. **核受體基因改變**：編碼 ERα 的 ***Esr1* 基因表達顯著上升**。 4. **代謝基因下調與逆轉**：下調的基因集中為預測的類固醇核受體標的基因，且高度富集於脂肪酸代謝通路。懷孕晚期正常應出現的「脂肪酸氧化增強、葡萄糖氧化下降」代謝重塑，在 PARP1 敲除心肌中呈現**逆向改變（脂肪酸氧化相關基因下調，葡萄糖氧化相關基因上調）**。講者將此視為心功能下降的可能機制之一，而不是已被單獨驗證的因果機制。 針對 ERα 與孕酮受體（PR）的深入基因體學分析顯示： * **ERα 的轉錄與 DNA 結合**：懷孕晚期心臟組織中 ERα 蛋白質表達上升。敲除 PARP1 會進一步增強 ERα 在多個基因體位點的 DNA 結合能力，包括典型 ERα 標的基因（如 *Greb1* 與 *Pgr*），並發現 ERα 可直接結合至調控心臟功能的 ***Nppa* 與 *Nppb* 基因啟動子（promoters）**。 * **孕酮受體（PR）的交互作用與結合**：雖然懷孕期間小鼠心臟中 PR 蛋白質總量變化不大，但在懷孕晚期的染色質組分中，**PR-A 與 PARP1 的染色質結合量均增加**。講者據此提出兩者互動可能參與 PR DNA 結合與基因調控；這項 fractionation 結果本身不等同於已證明直接物理結合。染色質免疫沉澱定量 PCR（ChIP-qPCR）則顯示，PARP1 敲除會改變 PR 在兩個脂肪酸氧化相關基因位點上的 DNA 結合。 總結而言，心肌細胞中的 PARP1 介導了懷孕期間心臟適應所必需的激素調控基因表達計畫。 --- ### 懷孕結局與母胎交互作用 心肌細胞特異性敲除 PARP1 的母鼠同時出現心臟適應不良與較差的懷孕結局： * **胎兒生長受限**：母體 PARP1 敲除組小鼠的**胎兒體積較小、體重較低**，小於胎齡（small-for-gestational-age, SGA）胎兒的比例較高。 * **胚胎吸收率增加**：檢查胎盤與發育中胚胎發現，敲除組小鼠的**存活發育胎兒數量減少，胚胎吸收（embryonic resorption）比例顯著增加**。 * **胎盤代謝異常**：對野生型與敲除組小鼠的胎盤進行檢測，觀察到**胎盤中多個關鍵代謝基因的表達發生顯著改變**。 上述結果顯示：母體心臟中心肌細胞專一性 PARP1 缺失，與懷孕期心臟適應不良（包括心功能下降、代謝切換異常及激素基因調控失衡）、胎盤代謝基因變化及不良胎兒結局同時出現。講者將此概括為可能的母體心臟—胎盤—胎兒 crosstalk；目前尚未找出兩個器官之間的直接介質或證明完整因果鏈，這正是團隊的下一步研究。 --- ### 致謝與致詞 Dan Huang 博士特別感謝研究團隊與合作者，包括德州大學西南醫學中心的 Lee Kraus 博士與 Cristel Camacho 博士，三方在多項 PARP 相關研究中密切合作；主要實驗由博士後研究員 Yangyang Dai 與研究生 Weidan Song 完成，動物模型建立則由 Liz 與 Amini 協助，並感謝相關基金會與機構的資助。 --- ### 現場問答 #### 問題一：懷孕期間心臟變化是否純粹由血容量增加驅動？胎兒心臟是否有平行變化？ **Zeynep Madak-Erdogan 博士（伊利諾大學厄巴納-香檳分校）：** 非常棒的研究。我的問題分為兩個部分：心臟的適應性變化是否純粹是由懷孕期間增加的血容量（blood volume）所刺激引起的？與此相關的是，胎兒心臟是否也會出現平行的變化？胎兒心臟是否也有 PARP1 依賴性的機制在發生，從而提示存在某種循環因子（circulating factor）？ **Dan Huang 博士：** 這是一個非常好的問題。我們目前尚未檢測胎兒的心臟。我們的模型使用的是誘發型心肌細胞特異性敲除（inducible cardiomyocyte-specific knockout），這樣做是為了避免發育階段的胚胎心臟缺陷（避免結構性基因敲除帶來的干擾）。目前我們的模型主要著眼於：當母體懷孕期間心臟功能受損時，會如何影響胎兒發育。但我認為檢測胎兒心臟非常值得探索，母體與胎兒之間肯定存在某種連結與對話。非常感謝您的建議。 --- #### 問題二：產後心臟是否會復原至基準線？多次懷孕是否有表觀遺傳重塑？ **現場聽眾：** 精彩的工作。我有兩個問題：產後心臟是否會發生某種復原（involution）或重塑並回到基準線？這需要多長時間？另外，多次懷孕（subsequent pregnancies）會有什麼影響？是否會看到表觀遺傳重塑（epigenetic remodeling）或隨著連續懷孕而增強的應答？ **Dan Huang 博士：** 這是一個極佳的問題。這恰好是我接下來計劃進行的研究。我目前尚未評估產後復原及多次懷孕的效應，但這絕對已經列入我們團隊的工作清單（to-do list）中。謝謝您的建議。 --- #### 問題三：此小鼠模型的表現型是否與人類子癇前症（Preeclampsia）相關？ **現場聽眾：** 我的問題是關於子癇前症（preeclampsia）。人類基因中是否存在微小差異可能導致子癇前症？因為在您的模型中，胎盤看起來像子癇前症、胎兒表現像子癇前症，而且心臟出現了纖維化。 **Dan Huang 博士：** 這也是一個很好的問題。目前我們的研究項目主要集中在生理條件（regular pregnancy）下的心臟適應。但我們確實非常希望探索病理條件（pathological conditions，例如高血壓或肥胖）是否會誘發子癇前症。我們計劃去鑑定專一性的生物標記（例如子癇前症標記），看看這些標記是否存在於我們的模型中，或者是否存在新的分子標記能真正將心臟功能與胎盤發育連結起來。 **現場聽眾（補充提醒）：** 請記住，在許多沒有肥胖問題的國家，子癇前症依然存在。在美國這裡，大家習慣把子癇前症與肥胖聯繫在一起，但在世界上其他地區並非如此。 **Dan Huang 博士：** 好的，理解，非常感謝您的提醒。 --- #### 問題四：肥胖患者與肥胖小鼠的巨噬細胞中 PARP1 表達量是否下降？有無過表達救援研究？ **現場聽眾（貝勒醫學院）：** 非常棒的演講。我有一個簡單的問題：您是否有機會測定肥胖患者以及野生型肥胖小鼠巨噬細胞中的 PARP1 表達水平——這些巨噬細胞中的 PARP1 水平是否呈現下降趨勢？ **Dan Huang 博士：** 是的，這是一個很好的建議。我目前尚未有機會去檢測肥胖臨床檢體或肥胖小鼠巨噬細胞中的 PARP1 表達量。 **現場聽眾（補充建議）：** 如果可行，我認為最佳的臨床前實驗之一，是在肥胖小鼠體內注射正常巨噬細胞，或是注射過表達 PARP1 的巨噬細胞，觀察這種經過基因修飾的巨噬細胞能否克服小鼠的肥胖表現型。 **Dan Huang 博士：** 這是一個非常有建設性的觀點。非常感謝您。 **主持人：** 好的，謝謝大家。