Immunity综述精读 | 免疫代谢物对蛋白质的修饰作用

精准医学与蛋白组学

2020.12.07

作者景杰生物

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景杰学术 | 报道

免疫代谢 (immunometabolism) 如今已经成为了免疫学家关注的焦点。和胞内信号通路一样，新陈代谢改变也被证明是免疫细胞对特定免疫效应分子应答的重要决定因素，这很大程度上归因于代谢物可以通过蛋白质翻译后修饰 (post-translational modifications, PTMs) 途径调控免疫细胞功能。2020年11月20日，都柏林三一学院生物化学与免疫学院的生物化学教授L.A.J. O’Neill团队，在免疫学领域著名期刊Immunity (IF=22.553) 杂志上，发表了综述文章“Modification of Proteins by Metabolites in Immunity” [1]，系统总结了多种蛋白质翻译后修饰（乳酸化、乙酰化、丙二酰化、琥珀酰化修饰等）在免疫学这一特定领域内的重要研究进展，文中涉及的大量线索也必将为开发治疗免疫、炎症性疾病的免疫调节疗法有所帮助。

一、乳酸化修饰也许有助于解决炎症问题

20世纪德国科学家奥托·海因里希·瓦博格 (Otto Heinrich Warburg) 观察到，大多数肿瘤细胞在有氧条件下仍表现出活跃的葡萄糖摄取和糖酵解 (glycolysis) 功能，从而导致肿瘤细胞产生并分泌大量的乳酸 (lactate)，这种现象被称之为瓦博格效应 (Warburg effect) 。对免疫细胞新陈代谢关注的兴起，也恰恰起始于“Warburg effect”在炎症免疫细胞中的发现。早期研究表明，阻断糖酵解通路可以影响巨噬细胞产生IL-1β，辅助性 T17 细胞的分化以及树突状细胞的活化等一系列作用。此外，乳酸，这一糖酵解主要的代谢产物，如今也被证明绝不仅仅是“代谢废物”，其在许多重要生理学功能中都扮演着重要角色，比如说，乳酸是关键的能量载体，是细胞内 (间) 互相传递的重要能源物质。

2019年，芝加哥大学赵英明教授课题组在 Nature 首次报道了组蛋白上的赖氨酸会发生乳酸化修饰 (lactylation)，以表观遗传方式特异性地调控巨噬细胞表型极化相关基因的转录 [2]。比如，I 型精氨酸酶 (Arginase1) 编码基因 Arg1 启动子区域的组蛋白乳酸化修饰显著地提高了 Arg1 的表达水平。这一结果不仅在2014年Colegio, O.R.等人工作的基础上，进一步阐明了乳酸促进巨噬细胞向M2型极化的分子机制，同时，也为巨噬细胞在促炎和抗炎功能间转换的机制提供了合理的解释：早期，巨噬细胞促炎基因的表达依赖糖酵解功能；而随后，乳酸则可通过修饰组蛋白，调控极化相关靶基因，促进巨噬细胞向抗炎表型转换。因此，乳酸化修饰似乎与巨噬细胞抗炎、促进组织修复的功能密切相关。重要的是，除了葡萄糖依赖的内源性乳酸，外源性乳酸亦可以修饰组蛋白 [2]，从而提示，乳酸化修饰可能也会对浸润在肿瘤微环境中的肿瘤相关巨噬细胞 (tumor-associated macrophages, TAMs) 的活化过程产生影响。

二、乙酰化修饰及相关免疫炎症研究靶点

三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle, TCA cycle; 或称Krebs cycle) 发生于线粒体基质内，是生命体内物质和能量代谢的核心过程。TCA循环过程由丙酮酸氧化脱羧或脂酸β-氧化形成的乙酰CoA (acetyl-CoA) 与草酰乙酸结合开始，共经过连续八步反应，通过氧化磷酸化 (OXPHOS) 产生“能量货币”ATP及代谢中间产物，维持细胞生命活动。值得注意的是，第一步反应产物——柠檬酸，在ATP柠檬酸裂合酶 (ATP citrate lyase, ACLY) 的作用下可以裂解转化为acetyl-CoA，acetyl-CoA依靠该机制跨越线粒体膜，进入细胞质或细胞核中，导致众多蛋白质发生可逆性的乙酰化修饰 (acetylation) 作用。

蛋白质乙酰化修饰平衡，主要受赖氨酸乙酰基转移酶 (lysine acetyltransferases, KATs) 和赖氨酸去乙酰化酶 (lysine deacetylases, KDACs) 这两类蛋白质动态调控。组蛋白赖氨酸上的 (去) 乙酰化修饰因其在表观遗传调控过程中发挥着至关重要的作用，目前受到较为广泛关注 [3]。组蛋白乙酰化缺陷导致的基因表达和蛋白质功能失调，在动物模型中常常会引起发育和生理功能的严重异常，并且也被证明与许多人类疾病的致病机制有关。另一方面，在免疫炎症反应中，最新的研究表明，Toll样受体4 (Toll-like receptor 4, TLR4) 的激动剂脂多糖LPS具有促进组蛋白乙酰化修饰的作用，以增强那些具有强力促炎作用的基因的表达；在葡萄糖含量很低的肿瘤微环境中，CD8+ 效应T细胞可以利用乙酸 (acetate) 作为能量源，这也在一定程度上提高了组蛋白乙酰化修饰水平，从而上调IFN-γ等免疫活化基因的表达。此外，在巨噬细胞中，模式识别受体核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3 (NOD-like receptor protein 3, NLRP3) 发生乙酰化修饰而被激活，继而促进IL-1等炎性因子的分泌及细胞焦亡的发生，诱发剧烈炎症反应；相反地，由沉默信息调节因子2 (silent information regulator 2, SIRT2) 介导的NLRP3去乙酰化作用，则被发现可以逆转与衰老相关的炎症反应和胰岛素抵抗。

实际上，除组蛋白外，非组蛋白乙酰化修饰也在细胞功能调控过程中发挥着不可或缺的作用 [4]。DNA 感受器——环鸟苷酸-腺苷酸合成酶 (cyclic GMP-AMP synthase, cGAS)，是一种核酸转移酶，通过STING-TBK1-IRF3信号激活天然免疫相关信号通路，参与抵抗病原体感染、细胞自噬、DNA修复、肿瘤以及自身免疫性疾病的发生发展等关键细胞事件。众多研究表明，乙酰化修饰是控制cGAS活性的重要机制之一：2019年，国家生物医学分析中心张学敏院士和李涛教授课题组报道了乙酰化修饰控制cGAS激活的关键机制，在验证乙酰化修饰对cGAS抑制作用的基础上，通过质谱技术鉴定到cGAS的多个乙酰化位点，并且发现阿司匹林可以通过直接乙酰化cGAS抑制DNA介导的自身免疫反应；突变cGAS关键赖氨酸位点以模拟乙酰化，也可以抑制依赖于cGAS的细胞凋亡。此外，甘油醛-3-磷酸脱氢酶 (glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, GAPDH) 是糖酵解途径的一个关键酶，乙酰化修饰增强GAPDH催化活性、促进糖酵解功能，并且可以显著提高CD8+ 记忆T细胞介导的免疫效应。

图1 在巨噬细胞中，糖酵解及三羧酸循环过程的重要代谢物对蛋白质的修饰作用

三、丙二酰化修饰促进巨噬细胞炎症信号

乙酰辅酶A羧化酶 (acetyl-CoA carboxylase, ACC) 羧化胞浆中的acetyl-CoA形成丙二酰辅酶A (malonyl-CoA)，这不仅仅为脂肪酸的合成提供了重要的二碳单位，并且可以将带正电 (+1) 的赖氨酸修饰为负电 (-1) 氨基酸，使相应蛋白质被称为丙二酰化修饰 (malonylation) [5]。目前已知，去酰化修饰“多面手”SIRT5是主要的去丙二酰化酶，遗憾的是，丙二酰基转移酶却尚未见报道。即便如此，结合malonyl-CoA在新陈代谢途径中的关键作用以及抗体、质谱技术的发展，丙二酰化修饰在调节蛋白质功能中的诸多关键作用也在近几年逐渐被揭示。

线粒体基质中的酰基辅酶A合成酶家族成员，ACSF3 (acyl-CoA synthetase family member 3)，可以直接利用丙二酸 (malonate) 和CoA合成malonyl-CoA，从而影响线粒体相关蛋白质的丙二酰化修饰水平。另一方面，malonyl-CoA在脂肪酸合酶 (fatty acid synthase, FASN) 的催化下参与脂肪酸的合成。Ulrike Bruning等人在内皮细胞中发现，抑制FASN会引起malonyl-CoA累积，提高雷帕霉素靶蛋白 (the mammalian target of rapamycin, mTOR) 的丙二酰化修饰水平，抑制mTOR复合物1 (mTORC1) 的活性，最终损害内皮细胞血管生成功能。考虑到mTOR在巨噬细胞、T细胞、B细胞等免疫细胞功能调控的核心作用，丙二酰化mTOR必定也在免疫炎症反应中发挥着多样的生物学功能。

利用丙二酰化修饰组学技术 (景杰生物)，Silvia Galván-Peña等人在促炎性巨噬细胞中发现，GAPDH也可以发生丙二酰化 [6]，继而引起GAPDH催化活性增强，促进糖酵解功能以及促炎性细胞因子IL-1β、IL-6的释放，这点也与乙酰化修饰功能颇为相似。区别于乙酰化GAPDH的是，研究人员发现，丙二酰化GAPDH的RNA结合能力减弱，导致GAPDH与TNFβ mRNA分离，提高了后者的翻译水平以及TNFβ的分泌。

图2 免疫细胞内蛋白质的乙酰化、丙二酰化、棕榈酰化修饰

四、琥珀酰化修饰对糖酵解功能的调控作用

2010年，赵英明教授课题组利用质谱技术证明，丙二酸的类似物——琥珀酸 (succinate)，以及琥珀酰CoA (succinyl-CoA) 同样可以修饰蛋白质赖氨酸，即琥珀酰化修饰 (succinylation)。与丙二酰化修饰类似，琥珀酰化修饰也将带正电 (+1) 的赖氨酸修饰为负电 (-1)，并且，琥珀酰基转移酶也未见报道。但目前研究已发现，SIRT5、SIRT7是主要的去琥珀酰化酶。

研究发现，在LPS刺激的巨噬细胞炎症模型中，琥珀酸的含量明显增加并且SIRT5的表达量降低，共同促成蛋白质琥珀酰化修饰总体水平的升高。有意思的是，GAPDH也可以发生琥珀酰化修饰，但目前尚不清楚琥珀酰化GAPDH会引起哪些细胞功能改变。此外，糖酵解途径中另一个关键激酶——M2型丙酮酸激酶 (pyruvate kinase 2, PKM2)，也是琥珀酰化修饰的重要靶蛋白。在巨噬细胞中，基因敲除SIRT5将导致PKM2第311位赖氨酸 (K311) 的琥珀酰化修饰水平升高损害其糖酵解活性，促进HIF-1α与IL-1β基因启动子结合，使得IL-1β的合成增加；而在肿瘤中，PKM2其他赖氨酸 (K498) 的琥珀酰化修饰却被发现可以激活其酶活性，这也意味着相同蛋白质上不同赖氨酸位点的琥珀酰化修饰会对蛋白质功能起到截然相反的调控作用。不仅如此，琥珀酸还在琥珀酸脱氢酶 (succinate dehydrogenase, SDH) 的催化作用下，生成延胡索酸，后者可通过琥珀酸酯化 (succination) 的形式修饰半胱氨酸。

除了上述几种修饰类型外，文中还简述了棕榈酰化、豆蔻酰化、谷氨酸化修饰等多种蛋白质翻译后修饰在固有免疫以及适应性免疫功能调控过程中的作用。它们通过影响关键酶活性、蛋白质间相互作用、蛋白质亚细胞定位、基因表达等机制，系统性地管控中免疫反应过程中的方方面面。目前，随着越来越多的新型蛋白质修饰类型及其功能逐一被揭示，在帮助我们更加全面地认识免疫反应生物学特征的同时，也为未来设计、开发治疗免疫炎症性疾病的特效药物指明了方向。

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