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。

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　　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 為丙二醯輔酶 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譯後修飾－－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：

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