Cell Metab | 馮平輝組揭示蛋白脫氨化在調(diào)控細(xì)胞炎癥反應(yīng)與代謝增殖中的機(jī)制

昵稱69125444 2020-04-25

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蛋白的脫氨反應(yīng)(Protein Deamidation)是經(jīng)典的蛋白質(zhì)修飾之一。過去的主流科學(xué)解釋認(rèn)為，蛋白的脫氨化僅僅是其衰亡的時間表征【1】。伴隨蛋白質(zhì)分子的衰亡，其天門冬酰胺與谷氨酰胺側(cè)鏈發(fā)生水解形成羧酸，進(jìn)一步導(dǎo)致了蛋白的分解。近些年來，酶催化的蛋白脫氨反應(yīng)(Enzyme-catalyzed Protein Deamidation)開始逐步成為蛋白質(zhì)翻譯后修飾的新興研究領(lǐng)域，然而學(xué)界對于這一反應(yīng)的認(rèn)識仍處于初步階段。在微生物領(lǐng)域，一些細(xì)菌分泌脫氨酶(Protein Deamidase)來攻擊重要的宿主免疫蛋白以達(dá)到免疫逃逸的目的【2,3】。

南加州大學(xué)馮平輝研究組常年致力于研究皰疹病毒與宿主的相互作用，并發(fā)現(xiàn)了一系列蛋白脫氨化在病毒免疫逃逸中的功能。這些被病毒攻擊而脫氨化的宿主靶點包括重要的病毒核苷酸模式識別受體RIG-I與cGAS【4-6】。同時在研究中，也首次發(fā)現(xiàn)了病毒攜帶的脫氨酶，并且宿主含有的一些谷氨酰胺酶(Glutamine Amidotransferases)具備潛在的蛋白脫氨化的能力【7】。

2020年4月22日，馮平輝課題組（第一作者為趙軍博士）在Cell Metabolism上發(fā)表了題為'Deamidation shunts RelA from mediating inflammation to aerobic glycolysis'的研究，進(jìn)一步拓寬了蛋白質(zhì)脫氨化反應(yīng)在調(diào)控重要細(xì)胞活動的功能。

研究發(fā)現(xiàn)，參與嘧啶合成的谷氨酰胺酶復(fù)合酶——氨甲酰磷酸合成酶II、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶、二氫乳清酸酶(Carbamoyl-phosphate synthetase 2, Aspartate transcarbamylase and Dihydroorotase, CAD)，擁有嘧啶代謝以外的催化蛋白脫氨化能力(non-metabolic activity)。研究通過篩選發(fā)現(xiàn)CAD能夠抑制細(xì)胞炎癥通路NF-κB。進(jìn)一步的細(xì)胞及體外生化實驗顯示，CAD催化了NF-κB核心轉(zhuǎn)錄因子RelA的脫氨化，使得RelA喪失了結(jié)合NF-κB啟動子的能力，并最終導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的降低。這些初步的結(jié)果也引出一個重要問題：一個嘧啶代謝酶參與炎癥調(diào)控的生物學(xué)意義何在？

根據(jù)以往的文獻(xiàn)， CAD在細(xì)胞周期內(nèi)的S期活性達(dá)到頂峰，以應(yīng)對細(xì)胞需求大量嘧啶用于DNA復(fù)制。實驗表明，RelA的脫氨化也同時在S期達(dá)到最大化，同時基礎(chǔ)的炎癥反應(yīng)相應(yīng)地降到了最低點。這些現(xiàn)象提示了RelA的脫氨化可能與細(xì)胞分裂繁殖相關(guān)。當(dāng)細(xì)胞表達(dá)了抗脫氨化的RelA突變體，其繁殖與成瘤能力大幅度下降，論證了RelA脫氨化對于細(xì)胞繁殖的必要性。另一方面，研究人員注意到表達(dá)脫氨化RelA的細(xì)胞葡萄糖代謝能力顯著增強(qiáng)，提示了脫氨化的RelA可能開拓出全新的蛋白功能。通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)(transcriptomics)和代謝組學(xué)(metabolomics)的手段，課題組發(fā)現(xiàn)脫氨化的RelA上調(diào)了糖酵解途徑的幾個重要限速酶，以及丙酮酸脫氫酶激酶(PDKs)，從而加強(qiáng)了糖酵解(glycolysis)的速率并抑制了線粒體的氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)，這一現(xiàn)象是腫瘤發(fā)生的著名效應(yīng)之一(Warburg effect【8】)。以此為基點，課題組通過分析歸納RelA脫氨化在一系列人類癌癥細(xì)胞中的狀態(tài)，以及現(xiàn)有的癌組織數(shù)據(jù)庫中RelA突變體與脫氨化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了RelA脫氨化與糖酵解和腫瘤生長的正相關(guān)性，同時論證了糖酵解的抑制劑對于RelA高脫氨化的腫瘤生長的顯著效應(yīng)。

該項工作闡明了嘧啶合成酶CAD通過催化RelA脫氨化而調(diào)控炎癥反應(yīng)與細(xì)胞能量代謝，并推動了細(xì)胞復(fù)制與成瘤的機(jī)制。在基礎(chǔ)科學(xué)層面上，該課題發(fā)現(xiàn)了脫氨化可以改變轉(zhuǎn)錄因子的基因調(diào)控選擇性，并揭示了細(xì)胞代謝和炎癥反應(yīng)在復(fù)制分裂過程中的精確分工與統(tǒng)籌的重要手段。作為轉(zhuǎn)化型研究，課題組希望進(jìn)一步推進(jìn)RelA脫氨化在癌癥治療中作為代謝標(biāo)志物(biomarker)的工作，考察其在腫瘤分型與指導(dǎo)代謝治療中的作用。

原文鏈接：

https:///10.1016/j.cmet.2020.04.006

參考文獻(xiàn)

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3. Cui, J. X. et al. Glutamine Deamidation and Dysfunction of Ubiquitin/NEDD8 Induced by a Bacterial Effector Family. Science 329, 1215-1218, doi:10.1126/science.1193844 (2010).

4. He, S. et al. Viral Pseudo-Enzymes Activate RIG-I via Deamidation to Evade Cytokine Production. Molecular cell 58, 134-146, doi:10.1016/j.molcel.2015.01.036 (2015).

5. Zhao, J. et al. A Viral Deamidase Targets the Helicase Domain of RIG-I to Block RNA-Induced Activation. Cell Host Microbe 20, 770-784, doi:10.1016/j.chom.2016.10.011 (2016).

6. Zhang, J. et al. Species-Specific Deamidation of cGAS by Herpes Simplex Virus UL37 Protein Facilitates Viral Replication. Cell Host Microbe 24, 234-248 e235, doi:10.1016/j.chom.2018.07.004 (2018).

7. Li, J. et al. Antiviral activity of a purine synthesis enzyme reveals a key role of deamidation in regulating protein nuclear import. Sci Adv 5, eaaw7373, doi:10.1126/sciadv.aaw7373 (2019).

8. Hanahan, D. & Weinberg, R. A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell 144, 646-674, doi:10.1016/j.cell.2011.02.013 (2011).