復旦學者揭示去琥珀醯化酶SIRT5調控免疫代謝在炎症中的功能和分子機理

BioArt按：SIRT5是Sirtuins中的一員， 與家族其他成員不同，它具有極低的去乙醯化酶活性，卻可以調控三種新的賴氨酸修飾——琥珀醯化、丙二醯化和戊二醯化，其中以去琥珀醯化最具代表性，也相對有較多的研究。科學家們在既往的研究中利用質譜技術鑒定了成百上千個SIRT5的潛在底物，而對其生理和病理功能卻知之甚少。6月13日，復旦大學生物醫學研究院楊芃原、余紅秀研究組在Cell Reports雜誌上發表了題為「SIRT5 desuccinylates and activates pyruvate kinase M2 to block macrophage IL-1β production and to prevent DSS-induced colitis in mice」的研究論文，揭示了SIRT5不僅能夠調控巨噬細胞代謝，而且還可能通過調控巨噬細胞代謝在結腸炎甚至結腸炎癌惡性轉化中有重要功能。復旦大學生物醫學研究院王芳博士為該論文的第一作者，楊芃原教授和余紅秀副研究員為共同通訊作者。

論文解讀：

Sirtuin是一類高度保守、NAD+依賴的去乙醯化酶家族蛋白，具有去乙醯化酶活性。細菌和古菌中含有1-2個Sirtuin，而哺乳動物中一共有7個成員（SIRT1-7），不同的成員有著獨特的亞細胞定位。其中SIRT1和SIRT2在胞質和細胞核中都有定位，SIRT6和SIRT7主要定位於細胞核中，其餘的SIRT3/4/5則主要定位於線粒體中（下圖）【1】。

SIRT家族蛋白的亞細胞定位示意圖。引自：Herskovits, A. Z., & Guarente, L. (2013). Sirtuin deacetylases in neurodegenerative diseases of aging.Cell research, 23(6), 746-758.

Sirtuin可以通過對多種底物進行去乙醯化作用，從而在機體內參與維持基因組穩定、維持細胞抗脅迫能力以及參與能量代謝，並且在線蟲和果蠅中被認為參與了壽命延長的調節過程【2】。

SIRT5是Sirtuins中的一員， 與家族其他成員不同，它具有極低的去乙醯化酶活性，卻可以調控三種新的賴氨酸修飾——琥珀醯化、丙二醯化和戊二醯化，其中以去琥珀醯化最具代表性，也相對有較多的研究【3-6】。然而科學家們在既往的研究中利用質譜技術鑒定了成百上千個SIRT5的潛在底物【7】，且SIRT5基因敲除的小鼠沒有明顯的表型【8】，因而而對其生理和病理功能知之甚少。

免疫代謝（immunemetabolism）研究免疫細胞在增殖、分化、應答及轉歸等過程中代謝調控機制及功能，是國際上前沿和快速增長的研究領域，該領域的發展不僅能從理論上深化人們對免疫細胞生物學的理解，同時也展示了在維持機體免疫穩態、腫瘤免疫治療等方面的重要的應用前景。

巨噬細胞在被LPS激活後會大量消耗葡萄糖，糖酵解作用顯著增強，表達M1型分子標誌物並大量產生炎性因子IL-1β，其機制是糖代謝中間產物琥珀酸(Succinate)累積，琥珀酸穩定的Hif-1α加強了IL-1β的轉錄，糖酵解關鍵酶PKM2的激活在其中也有重要作用。在此基礎上，楊芃原和余紅秀團隊進一步發現了PKM2的上游調控機制——PKM2被SIRT5去琥珀醯化調控。在SIRT5缺失的細胞中，PKM2的琥珀醯化水平增加，PKM2由四聚體轉化為二聚體，同時其丙酮酸激酶活性下降，二聚體化的PKM2進入細胞核，與Hif-1α協同作用結合在IL-1β的啟動子區，顯著增強了IL-1β的轉錄，並增強了巨噬細胞的糖酵解作用（下圖）。

工作模型示意圖

因為IL-1β在炎症中發揮重要作用，他們以結腸炎為模型，研究了葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導的小鼠結腸炎模型中SIRT5的功能，發現Sirt5敲除小鼠結腸炎明顯加重。這些結果提示SIRT5不僅調控巨噬細胞代謝，還可能通過調控巨噬細胞代謝在結腸炎甚至結腸炎癌惡性轉化中有重要功能。

值得一提的是，這是繼他們與復旦大學趙世民教授團隊合作，發現「SIRT5通過對IDH1和SDH的去琥珀醯化，激活它們的活性，降低了線粒體的琥珀醯化，挽救了線粒體功能，抑制神經膠質瘤細胞代謝和生長」（Molecular cell, 2015,60:1-15）【9】以及與復旦大學葉丹教授團隊合作，發現「SIRT5通過去琥珀醯化調控IDH2、去戊二醯化調控葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD）的活性增強神經細胞的抗氧化能力」（EMBO reports, 2016,17:811-822）後【10】，發現了SIRT5調控的一個新底物PKM2，闡明了SIRT5調控免疫代謝在炎症中的重要功能。

參考文獻：

1、Hirschey, M. D. (2011). Old enzymes, new tricks: sirtuins are NAD+-dependent de-acylases.Cell metabolism, 14(6), 718-719.

2、Qiu, X., Brown, K. V., Moran, Y., & Chen, D. (2010). Sirtuin regulation in calorie restriction.Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Proteins and Proteomics, 1804(8), 1576-1583.

3、Park, J., Chen, Y., Tishkoff, D.X., Peng, C., Tan, M., Dai, L., Xie, Z., Zhang, Y., Zwaans, B.M., Skinner, M.E. et al.SIRT5-mediated lysine desuccinylation impacts diverse metabolic pathways.Mol. Cell.2013; 50: 919–930

4、Rardin, M.J., He, W., Nishida, Y., Newman, J.C., Carrico, C., Danielson, S.R., Guo, A., Gut, P., Sahu, A.K., Li, B. et al.SIRT5 regulates the mitochondrial lysine succinylome and metabolic networks.Cell Metab. 2013; 18: 920–933

5、Weinert, B.T., Sch?lz, C., Wagner, S.A., Iesmantavicius, V., Su, D., Daniel, J.A., and Choudhary, C.Lysine succinylation is a frequently occurring modification in prokaryotes and eukaryotes and extensively overlaps with acetylation.Cell Rep. 2013; 4: 842–851

6、Identification of lysine succinylation as a new post-translational modification.Zhang, Z., Tan, M., Xie, Z., Dai, L., Chen, Y., and Zhao, Y.Nat. Chem. Biol.2011; 7: 58–63

7、Tan, M., Peng, C., Anderson, K. A., Chhoy, P., Xie, Z., Dai, L., ... & Ro, J. (2014). Lysine glutarylation is a protein posttranslational modification regulated by SIRT5.Cell metabolism, 19(4), 605-617.

9、Li, F., He, X., Ye, D., Lin, Y., Yu, H., Yao, C., ... & Wu, X. (2015). NADP+-IDH mutations promote hypersuccinylation that impairs mitochondria respiration and induces apoptosis resistance.Molecular Cell, 60(4), 661-675.

10、Zhou, L., Wang, F., Sun, R., Chen, X., Zhang, M., Xu, Q., ... & Yang, P. (2016). SIRT5 promotes IDH2 desuccinylation and G6PD deglutarylation to enhance cellular antioxidant defense.EMBO reports, e201541643.

楊芃原教授簡介

楊芃原教授，復旦大學化學系特聘教授，生物醫學研究院常務副院長。曾任中國人類蛋白質組學學會理事長，質譜學會常務理事，國家蛋白質重大科學研究計劃專家組成員，兩次擔任國家重點基礎研究計劃（973計劃）首席科學家，除此之外還主持了多項國家自然科學基金委重大重點項目與上海市創新團隊項目。曾獲教育部自然科學一等獎、二等獎、福建省科技進步一等獎，教育部科技進步二等獎等多個獎項。以通訊作者發表SCI論文兩百餘篇。主要研究方向為生物質譜儀器開發與應用。

余紅秀副研究員簡介

余紅秀博士，副研究員，上海市「浦江人才計劃」獲得者，復旦大學基礎醫學院醫學系統生物學系副主任，上海市閔行醫院兼職教授。研究方向為蛋白質翻譯後修飾，腫瘤代謝與免疫代謝。近五年來已在Cell Reports、Molecular Cell、EMBO reports、Molecular Cellular Proteomics等國際專業雜誌發表論文二十餘篇。任Journal of Proteomics、Proteomics、Scientific Reports等多種國際刊物通訊審稿人。近五年主持了國家自然科學基金面上項目、青年項目、上海市浦江人才計劃、上海市自然科學基金等十二項國家和部級科研項目，作為骨幹參與多項國家級重大科學研究計劃。獲第九屆國際蛋白質組學大會 「青年科學家」獎，2016年中國生化大會青年科學家論壇三等獎，2012、2014和2015年復旦大學校級優秀獎。

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