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GAPDH 丙二醯化-不只是 Internal Control-巨噬細胞促進發炎的關鍵

巨噬細胞往往是面對病原體入侵時的第一線防禦,巨噬細胞能在受病原體刺激後啟動發炎機制,而代謝重組 (metabolic reprogramming) 在這之中扮演重要的角色。當巨噬細胞受革蘭氏陰性細菌表面脂多醣 (lipopolysaccharide, LPS) 刺激,巨噬細胞會啟動發炎程序,包含釋出發炎性細胞激素與趨化素等,同時能使糖解作用 (glycolysis) [1]上升以加速獲取能量。在能量獲取的程序改變的同時,檸檬酸循環 (citric acid cycle) 將被中斷,甚至出現逆向的電子傳遞練 (reverse electron transport),粒線體複合體 II 的琥珀酸去氫酶 (succinate dehydrogenase) 將反向催化,導致琥珀酸 (succinate) 囤積,也產生大量氧化自由基。琥珀酸是最先幾個被發現與巨噬細胞發炎相關的代謝物,琥珀酸透過活化與穩定轉錄因子 HIF-1α (hypoxia-induced factor) [註一] 大量產生介白素 1ꞵ (interleukin 1-ꞵ) 與其他發炎反應[2]

註一:細胞中的氧氣感測因子,也是二○一九年的諾貝爾生理與醫學獎得獎內容。

延伸閱讀|組蛋白乳酸化-推動發炎性巨噬細胞趨向組織修復性

  相較於較早發現的其他轉譯後修飾 (post-translational modifications),丙二醯化 (malonylation) 於二○一一年才在原核生物的大腸桿菌及真核生物的 Hela 細胞株被發現[3]。丙二醯化是由丙二醯輔酶 A (malonyl-CoA) [註二] 提供丙二醯基為材料,使蛋白質被丙二醯化。的該修飾能在脂質合成及氧化、糖解作用等被發現[4],而關於丙二醯輔酶 A 與丙二醯化在免疫功能的角色仍鮮少被探討。也因此丙二醯化在巨噬細胞發炎中的角色便顯得有趣而重要。

註二:參與脂肪酸合成與氧化作用。脂肪酸合成酶 (fatty acid synthase) 以其作為材料製造長鏈脂肪酸 (long-chain fatty acids),被視為脂肪酸合成作用 (de novo fatty acid synthesis) 速率決定(rate-determining) 受質 。丙二醯輔酶 A 同時也是檸檬酸 (citric acid) 的衍伸物,當巨噬細胞進入發炎狀態,檸檬酸巡迴被中斷後,亦將造成檸檬酸囤積。

  愛爾蘭 Trinity College Dublin 的 Dr. Luke A. O’Neill [5] 團隊發現 LPS 將刺激巨噬細胞增加丙二醯輔酶 A。巨噬細胞並透過丙二醯化關鍵蛋白質-醣解酵素 GAPDH (glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase) 增加細胞激素 TNFα 的轉譯。已知 GAPDH 會結合在 TNFα 等發炎因子 mRNA 3′ 端 UTR (untranslated region) 的位置上,並抑制其蛋白質轉譯。該研究團隊在未活化的小鼠骨髓源性巨噬細胞 (bone marrow-derived macrophage, BMDM) 發現,LPS 刺激活化的巨噬細胞將產生更多丙二醯輔酶 A 與 TNFα。但在 ACC1 (acetyl-CoA carboxylase) [註三] 減量 (knock-down) 後,LPS 誘發的丙二醯輔酶 A 和 TNFα 表現量顯著下降。如果再外加丙二醯輔酶 A 刺激後,則可使 TNFα 表現量再度上升。顯示 LPS 可以刺激 AAC1 產生丙二醯輔酶 A 調控相關發炎反應

註三:負責催化 acetyl-CoA丙二醯輔酶 A

  進一步實驗發現LPS 可以刺激巨噬細胞許多蛋白質的丙二醯化,包含 RNA 調控、免疫作用與代謝作用相關酵素,而 GAPDH 就是其中之一。他們發現 LPS 不僅促進 GAPDH 酵素活性,同時也使 GAPDH 上第二一三號胺基酸的離胺酸 (lysine) 丙二醯化。原本未活化狀態下, GAPDH 會結合在 TNFα 的 mRNA 上,但在 LPS 刺激下,GAPDH 將釋出結合的 mRNA 使發炎因子轉譯。這些結果更證明了 LPS 刺激下 GAPDH 可透過兩種機制調控免疫反應:第一,促進糖解作用酵素活性,使介白素 1ꞵ 表現上升;第二,使巨噬細胞 GAPDH 丙二醯化,原本未活化巨噬細胞中與 GAPDH 結合的 TNFα mRNA 被釋放,促使 TNFα 轉譯。

  這是第一次研究探討轉後修飾--丙二醯化在免疫反應中的角色。研究團隊指出蛋白質的轉譯後修飾如何影響 GAPDH 與 RNA 結合,更重要的是發現代謝-轉譯後修飾-免疫反應的相關性。這也顯示代謝網路與代謝物在細胞中扮演的核心角色,代謝透過不同形式影響細胞中的各種生化反應。這次的研究也應證先前在第二型糖尿病小鼠中發現許多醣解酵素(如:GAPDH)有高度丙二醯化的現象[4] ,帶出代謝疾病常伴隨發炎症狀的關聯性。研究丙二醯化與代謝作用的功能與機制,可能提供未來調控發炎與疾病上的一個新方向。

圖片說明:未活化的巨噬細胞,發炎相關因子表現低、GAPDH 和 TNFα mRNA結合,抑制其轉譯。LPS 活化的巨噬細胞,糖解作用增加、GAPDH 酵素活性上升,使促發炎細胞激素介白素 1ꞵ 表現上升;LPS 亦使丙二醯輔酶 A 上升,使 GAPDH 丙二醯化,釋放 TNFα mRNA,使得 TNFα 轉譯量上升。圖片來源:Nat Commun. 2019 Jan 18;10(1):338.

參考文獻:

  1. O’Neill, L. A., Kishton, R. J. & Rathmell, J. A guide to immunometabolism for immunologists. Nat. Rev. Immunol. 16, 553–565 (2016). https://doi.org/10.1038/nri.2016.70
  2. Tannahill, G. M., Curtis, A. M., Adamik, J., Palsson-McDermott, E. M., McGettrick, A. F., Goel, G., … & Zheng, L. (2013). Succinate is an inflammatory signal that induces IL-1β through HIF-1α. Nature, 496(7444), 238. https://doi.org/10.1038/nature11986
  3. Peng, C., Lu, Z., Xie, Z., Cheng, Z., Chen, Y., Tan, M., … & Zwaans, B. M. (2011). The first identification of lysine malonylation substrates and its regulatory enzyme. Molecular & cellular proteomics, 10(12), M111-012658. https://doi.org/10.1074/mcp.M111.012658
  4. Du, Y., Cai, T., Li, T., Xue, P., Zhou, B., He, X., … & Wei, T. (2015). Lysine malonylation is elevated in type 2 diabetic mouse models and enriched in metabolic associated proteins. Molecular & Cellular Proteomics, 14(1), 227-236. https://doi.org/10.1074/mcp.M114.041947
  5. Galván-Peña, S., Carroll, R. G., Newman, C., Hinchy, E. C., Palsson-McDermott, E., Robinson, E. K., … & Carpenter, S. (2019). Malonylation of GAPDH is an inflammatory signal in macrophages. Nature communications, 10(1), 338. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08187-6

撰文|賴怡惠
審稿|蔡宗霖

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賴怡惠

台大分醫所碩士畢業,目前博士班在學中,從事抗藥性菌株與抗生素交互作用機轉及藥物研發的研究。希望能藉由investigator的平台,分享生醫領域的相關資訊及互相交流。

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