Implication of amino acid metabolism in monocyte differentiation

Abstract

Monocytes are circulating blood leukocytes that arise from the bone marrow and are responsible for a wide array of homeostatic functions upon recruitment to different tissues. These phagocytes are able to mount an anti-microbial response, they are responsible for the production of a large array of cytokines and, importantly, they represent a pool of myeloid precursors that ultimately may originate tissue macrophages and dendritic cells. Recently, several reports have shed light on the relation between metabolism and immune function, which has been vastly explored in groundbreaking research on the field of immunometabolism. The development of a specific immune response relies on the accurate utilization of certain nutrients, thus determining distinct metabolic phenotypes and consequently distinct effector functions. Although several reports state the importance of the metabolic environment for the correct function of macrophages, little is known about the impact of amino acids during monocyte differentiation. We are interested in studying the metabolic requirements of human CD14+ monocytes derived from peripheral blood mononuclear cells during differentiation in macrophage populations. The analysis of amino acid catabolism/anabolism by these populations, using high performance liquid chromatography, revealed distinct metabolic needs, depending on the differentiation profile. In order to assess the contribution of non-essential amino acids during differentiation, we cultivated the purified monocytes in conditioned media, where we selectively depleted L-aspartate. Moreover, the role of L-aspartate as a modulator of monocyte differentiation was assessed for several functional characteristics of macrophages such as phenotypical markers and other effector functions by flow cytometry. We observed that the differential availability of this amino acid during monocyte-to-macrophage differentiation impacts their final fate regarding function, thus showing a role for amino acid metabolism in the modulation of macrophage response.

Os monócitos são leucócitos circulantes originários da medula óssea responsáveis por várias funções homeostáticas após recrutamento para diferentes tecidos. Estes fagócitos são capazes de desenvolver uma resposta anti-microbiana, produzir diversas citoquinas pró-inflamatórias e representam uma reserva de precursores mieloides, que podem eventualmente originar macrófagos tecidulares e células dendríticas. Recentemente, diversos trabalhos expuseram a relação entre o metabolismo e as funções imunes, um conceito que tem vindo a ser aprofundado na área do imunometabolismo. O desenvolvimento de uma resposta imune específica depende da correta utilização de certos nutrientes, o que por sua vez dita a existência de diferentes fenótipos metabólicos e, consequentemente, funções efetoras distintas. Apesar de diversos estudos demonstrarem a importância do microambiente metabólico para o desenvolvimento de uma função adequada dos macrófagos, pouco se sabe acerca do papel dos aminoácidos durante a diferenciação de monócitos. Este trabalho tem como objetivo estudar os requisitos metabólicos de monócitos humanos CD14+, derivados de células mononucleares do sangue periférico, durante a sua diferenciação em populações macrofágicas. A análise do catabolismo/anabolismo de aminoácidos, através de cromatografia liquída de alta performance, revelou diferentes necessidades metabólicas, consoante o perfil de diferenciação induzido nos macrófagos. De forma a entender a contribuição dos aminoácidos não essenciais durante este processo, os monócitos foram purificados e cultivados em meios condicionados em que o L-aspartato foi seletivamente depletado. O papel deste aminoácido como modulador da diferenciação de monócitos foi avaliado através do estudo de várias características funcionais dos macrófagos, como os marcadores fenotípicos e outras funções efetoras, que foram avaliados por citometria de fluxo. Neste estudo foi possível observar que a biodisponibilidade deste aminoácido durante a diferenciação dos monócitos em macrófagos tem um impacto no seu perfil final, nomeadamente em termos de função, o que demonstra um novo papel do metabolismo de aminoácidos na modulação da resposta dos macrófagos.