景傑學術 | 報導
免疫代謝(immunometabolism)如今已經成為了免疫學家關注的焦點。和胞內信號通路一樣，新陳代謝改變也被證明是免疫細胞對特定免疫效應分子應答的重要決定因素，這很大程度上歸因於代謝物可以通過蛋白質翻譯後修飾(post-translational modifications, PTMs)途徑調控免疫細胞功能。2020年11月20日，都柏林三一學院生物化學與免疫學院的生物化學教授L.A.J. O』Neill團隊，在免疫學領域著名期刊Immunity(IF=22.553)雜誌上，發表了綜述文章「Modification of Proteins by Metabolites in Immunity」[1]，系統總結了多種蛋白質翻譯後修飾（乳酸化、乙醯化、丙二醯化、琥珀醯化修飾等）在免疫學這一特定領域內的重要研究進展，文中涉及的大量線索也必將為開發治療免疫、炎症性疾病的免疫調節療法有所幫助。
一、乳酸化修飾也許有助於解決炎症問題
20世紀德國科學家奧託·海因裡希·瓦博格(Otto Heinrich Warburg)觀察到，大多數腫瘤細胞在有氧條件下仍表現出活躍的葡萄糖攝取和糖酵解(glycolysis)功能，從而導致腫瘤細胞產生並分泌大量的乳酸(lactate)，這種現象被稱之為瓦博格效應(Warburg effect) 。對免疫細胞新陳代謝關注的興起，也恰恰起始於「Warburg effect」在炎症免疫細胞中的發現。早期研究表明，阻斷糖酵解通路可以影響巨噬細胞產生IL-1β，輔助性 T17 細胞的分化以及樹突狀細胞的活化等一系列作用。此外，乳酸，這一糖酵解主要的代謝產物，如今也被證明絕不僅僅是「代謝廢物」，其在許多重要生理學功能中都扮演著重要角色，比如說，乳酸是關鍵的能量載體，是細胞內 (間) 互相傳遞的重要能源物質。
2019年，芝加哥大學趙英明教授課題組在Nature首次報導了組蛋白上的賴氨酸會發生乳酸化修飾(lactylation)，以表觀遺傳方式特異性地調控巨噬細胞表型極化相關基因的轉錄[2]。比如，I 型精氨酸酶(Arginase1) 編碼基因Arg1啟動子區域的組蛋白乳酸化修飾顯著地提高了Arg1的表達水平。這一結果不僅在2014年Colegio, O.R.等人工作的基礎上，進一步闡明了乳酸促進巨噬細胞向M2型極化的分子機制，同時，也為巨噬細胞在促炎和抗炎功能間轉換的機制提供了合理的解釋：早期，巨噬細胞促炎基因的表達依賴糖酵解功能；而隨後，乳酸則可通過修飾組蛋白，調控極化相關靶基因，促進巨噬細胞向抗炎表型轉換。因此，乳酸化修飾似乎與巨噬細胞抗炎、促進組織修復的功能密切相關。重要的是，除了葡萄糖依賴的內源性乳酸，外源性乳酸亦可以修飾組蛋白[2]，從而提示，乳酸化修飾可能也會對浸潤在腫瘤微環境中的腫瘤相關巨噬細胞(tumor-associated macrophages, TAMs)的活化過程產生影響。
二、乙醯化修飾及相關免疫炎症研究靶點
三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle; 或稱Krebs cycle) 發生於線粒體基質內，是生命體內物質和能量代謝的核心過程。TCA循環過程由丙酮酸氧化脫羧或脂酸β-氧化形成的乙醯CoA (acetyl-CoA)與草醯乙酸結合開始，共經過連續八步反應，通過氧化磷酸化(OXPHOS) 產生「能量貨幣」ATP及代謝中間產物，維持細胞生命活動。值得注意的是，第一步反應產物——檸檬酸，在ATP檸檬酸裂合酶(ATP citrate lyase, ACLY)的作用下可以裂解轉化為acetyl-CoA，acetyl-CoA依靠該機制跨越線粒體膜，進入細胞質或細胞核中，導致眾多蛋白質發生可逆性的乙醯化修飾(acetylation) 作用。
蛋白質乙醯化修飾平衡，主要受賴氨酸乙醯基轉移酶(lysine acetyltransferases, KATs)和賴氨酸去乙醯化酶(lysine deacetylases, KDACs) 這兩類蛋白質動態調控。組蛋白賴氨酸上的 (去) 乙醯化修飾因其在表觀遺傳調控過程中發揮著至關重要的作用，目前受到較為廣泛關注[3]。組蛋白乙醯化缺陷導致的基因表達和蛋白質功能失調，在動物模型中常常會引起發育和生理功能的嚴重異常，並且也被證明與許多人類疾病的致病機制有關。另一方面，在免疫炎症反應中，最新的研究表明，Toll樣受體4 (Toll-like receptor 4, TLR4) 的激動劑脂多糖LPS具有促進組蛋白乙醯化修飾的作用，以增強那些具有強力促炎作用的基因的表達；在葡萄糖含量很低的腫瘤微環境中，CD8+ 效應T細胞可以利用乙酸(acetate)作為能量源，這也在一定程度上提高了組蛋白乙醯化修飾水平，從而上調IFN-γ等免疫活化基因的表達。此外，在巨噬細胞中，模式識別受體核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3 (NOD-like receptor protein 3, NLRP3) 發生乙醯化修飾而被激活，繼而促進IL-1等炎性因子的分泌及細胞焦亡的發生，誘發劇烈炎症反應；相反地，由沉默信息調節因子2(silent information regulator 2, SIRT2)介導的NLRP3去乙醯化作用，則被發現可以逆轉與衰老相關的炎症反應和胰島素抵抗。
實際上，除組蛋白外，非組蛋白乙醯化修飾也在細胞功能調控過程中發揮著不可或缺的作用[4]。DNA 感受器——環鳥苷酸-腺苷酸合成酶(cyclic GMP-AMP synthase, cGAS)，是一種核酸轉移酶，通過STING-TBK1-IRF3信號激活天然免疫相關信號通路，參與抵抗病原體感染、細胞自噬、DNA修復、腫瘤以及自身免疫性疾病的發生發展等關鍵細胞事件。眾多研究表明，乙醯化修飾是控制cGAS活性的重要機制之一：2019年，國家生物醫學分析中心張學敏院士和李濤教授課題組報導了乙醯化修飾控制cGAS激活的關鍵機制，在驗證乙醯化修飾對cGAS抑制作用的基礎上，通過質譜技術鑑定到cGAS的多個乙醯化位點，並且發現阿司匹林可以通過直接乙醯化cGAS抑制DNA介導的自身免疫反應；突變cGAS關鍵賴氨酸位點以模擬乙醯化，也可以抑制依賴於cGAS的細胞凋亡。此外，甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, GAPDH)是糖酵解途徑的一個關鍵酶，乙醯化修飾增強GAPDH催化活性、促進糖酵解功能，並且可以顯著提高CD8+ 記憶T細胞介導的免疫效應。
圖1 在巨噬細胞中，糖酵解及三羧酸循環過程的重要代謝物對蛋白質的修飾作用
三、丙二醯化修飾促進巨噬細胞炎症信號
乙醯輔酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase, ACC)羧化胞漿中的acetyl-CoA形成丙二醯輔酶A(malonyl-CoA)，這不僅僅為脂肪酸的合成提供了重要的二碳單位，並且可以將帶正電(+1)的賴氨酸修飾為負電(-1)胺基酸，使相應蛋白質被稱為丙二醯化修飾(malonylation)[5]。目前已知，去醯化修飾「多面手」SIRT5是主要的去丙二醯化酶，遺憾的是，丙二醯基轉移酶卻尚未見報導。即便如此，結合malonyl-CoA在新陳代謝途徑中的關鍵作用以及抗體、質譜技術的發展，丙二醯化修飾在調節蛋白質功能中的諸多關鍵作用也在近幾年逐漸被揭示 。
線粒體基質中的醯基輔酶A合成酶家族成員，ACSF3(acyl-CoA synthetase family member 3)， 可以直接利用丙二酸(malonate)和CoA合成malonyl-CoA，從而影響線粒體相關蛋白質的丙二醯化修飾水平。另一方面，malonyl-CoA在脂肪酸合酶(fatty acid synthase, FASN)的催化下參與脂肪酸的合成。Ulrike Bruning等人在內皮細胞中發現，抑制FASN會引起malonyl-CoA累積，提高雷帕黴素靶蛋白(the mammalian target of rapamycin, mTOR) 的丙二醯化修飾水平，抑制mTOR複合物1 (mTORC1)的活性，最終損害內皮細胞血管生成功能。考慮到mTOR在巨噬細胞、T細胞、B細胞等免疫細胞功能調控的核心作用，丙二醯化mTOR必定也在免疫炎症反應中發揮著多樣的生物學功能。
利用丙二醯化修飾組學技術(景傑生物)，Silvia Galván-Peña等人在促炎性巨噬細胞中發現，GAPDH也可以發生丙二醯化[6]，繼而引起GAPDH催化活性增強，促進糖酵解功能以及促炎性細胞因子IL-1β、IL-6的釋放，這點也與乙醯化修飾功能頗為相似。區別於乙醯化GAPDH的是，研究人員發現，丙二醯化GAPDH的RNA結合能力減弱，導致GAPDH與TNFβ mRNA分離，提高了後者的翻譯水平以及TNFβ的分泌。
圖2 免疫細胞內蛋白質的乙醯化、丙二醯化、棕櫚醯化修飾
四、琥珀醯化修飾對糖酵解功能的調控作用
2010年，趙英明教授課題組利用質譜技術證明，丙二酸的類似物——琥珀酸(succinate)，以及琥珀醯CoA(succinyl-CoA) 同樣可以修飾蛋白質賴氨酸，即琥珀醯化修飾(succinylation)。與丙二醯化修飾類似，琥珀醯化修飾也將帶正電(+1)的賴氨酸修飾為負電(-1)，並且，琥珀醯基轉移酶也未見報導。但目前研究已發現，SIRT5、SIRT7是主要的去琥珀醯化酶。
研究發現，在LPS刺激的巨噬細胞炎症模型中，琥珀酸的含量明顯增加並且SIRT5的表達量降低，共同促成蛋白質琥珀醯化修飾總體水平的升高。有意思的是，GAPDH也可以發生琥珀醯化修飾，但目前尚不清楚琥珀醯化GAPDH會引起哪些細胞功能改變。此外，糖酵解途徑中另一個關鍵激酶——M2型丙酮酸激酶(pyruvate kinase 2, PKM2)，也是琥珀醯化修飾的重要靶蛋白。在巨噬細胞中，基因敲除SIRT5將導致PKM2第311位賴氨酸(K311)的琥珀醯化修飾水平升高損害其糖酵解活性，促進HIF-1α與IL-1β基因啟動子結合，使得IL-1β的合成增加；而在腫瘤中，PKM2其他賴氨酸(K498)的琥珀醯化修飾卻被發現可以激活其酶活性，這也意味著相同蛋白質上不同賴氨酸位點的琥珀醯化修飾會對蛋白質功能起到截然相反的調控作用。不僅如此，琥珀酸還在琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase, SDH)的催化作用下，生成延胡索酸，後者可通過琥珀酸酯化(succination)的形式修飾半胱氨酸。
除了上述幾種修飾類型外，文中還簡述了棕櫚醯化、豆蔻醯化、穀氨酸化修飾等多種蛋白質翻譯後修飾在固有免疫以及適應性免疫功能調控過程中的作用。它們通過影響關鍵酶活性、蛋白質間相互作用、蛋白質亞細胞定位、基因表達等機制，系統性地管控中免疫反應過程中的方方面面。目前，隨著越來越多的新型蛋白質修飾類型及其功能逐一被揭示，在幫助我們更加全面地認識免疫反應生物學特徵的同時，也為未來設計、開發治療免疫炎症性疾病的特效藥物指明了方向。