「撥雲揭霧」-蛋白質組學揭示琥珀醯化修飾在炎症反應中的作用

景傑編者按：翻譯後修飾對蛋白的生理功能有著關鍵作用，尤其是近年來新發現的多種新型醯化修飾，其功能和調控機制逐漸成為了人們研究的熱點。在此背景下，復旦大學生物醫學研究院楊芃原、余紅秀團隊於2017年6月13日在國際知名期刊Cell Reports上發表重要研究成果，發現去琥珀醯化酶SIRT5通過糖酵解過程中關鍵酶PKM2對炎症的調控作用，揭示了琥珀醯化這一重要的蛋白修飾對PKM2蛋白功能進而對疾病（結腸炎）發生有著重要影響。景傑生物作為全球蛋白質及蛋白質修飾的領跑者，參與鑒定了多種賴氨酸新型修飾，通過其蛋白質質譜平台和全球獨有的翻譯後修飾抗體，在新型醯化修飾領域獲得了一系列重要的研究成果，極大地推動了蛋白質翻譯後修飾的研究。景傑生物可以為您提供從蛋白質組、蛋白修飾組學再到抗體定製的全套方案，助力您的科研工作。

關鍵詞：琥珀醯化、去琥珀醯化酶、SIRT5、炎症、糖酵解、PKM2、丙酮酸激酶 M2

圖 1. SIRT5對PKM2的去琥珀醯化，影響其多聚狀態，抑制PKM2入核激活IL-1β的表達，進而抑制炎症反應。

近些年來，以芝加哥大學的趙英明教授為代表的研究人員發現了多種新型蛋白質醯化修飾，大大增加我們對蛋白質翻譯後修飾的認識 。這些新型醯化修飾已經被發現廣泛參與了代謝調節、表觀遺傳、信號轉導等多種生命過程，並與腫瘤、心臟病、免疫類疾病等有密切的聯繫。SIRT家族是重要的去醯化酶家族，其中SIRT5並不調控常見的乙醯化，但卻可以調控其它新型醯化修飾，遂成為該領域研究的焦點之一。2013年，趙英明教授首先在Molecular Cell上報道發現了SIRT5介導的去琥珀醯化活性，並發現琥珀醯化修飾參與中心代謝的調控[1]，其中，糖酵解途徑中的丙酮酸激酶M2（PKM2）就是SIRT5直接的靶蛋白 。陸舜教授之後報道了SIRT5可以通過影響PKM2來調節腫瘤的增殖 [2]。然而，由於SIRT5同時具有去琥珀醯化、丙二醯化、戊二醯化三種醯化修飾的能力，那麼SIRT5是通過哪類修飾的調節來影響PKM2仍然未知。

在此背景下，楊芃原教授等在題為「SIRT5 desuccinylates and activates pyruvate kinase M2 to block macrophage IL-1β production and to prevent DSS-induced colitis in mice」一文中首先確定了SIRT5與PKM2的相互作用，進一步使用景傑生物自主研發的泛修飾抗體證明了SIRT5對PKM2的琥珀醯化而非丙二醯化或戊二醯化的調控 [3]。SIRT5 knockdown細胞系中，PKM2的琥珀醯化水平的上調導致PKM2由四聚體轉化為二聚體，抑制了該酶的活性。同時PKM2二聚體可以入核與HIF1α相互作用，激活IL-1β的表達，並增強了巨噬細胞的糖酵解作用 （圖 1）。

圖 1. SIRT5對PKM2的去琥珀醯化，影響其多聚狀態，抑制PKM2入核激活IL-1β的表達，進而抑制炎症反應。

利用質譜技術鑒定到PKM2上的7個可被琥珀醯化的位點，其中第311為賴氨酸（Lys311）在進化上高度保守。PKM2的K311E突變體而言，其激酶活性降低，同時進入細胞核的量增加。SIRT5正是通過調控K311的琥珀醯化水平來影響PKM2的活性以及細胞內分布來影響炎症應答 。

圖 2. 蛋白質質譜在PKM2上鑒定到7個去琥珀醯化位點。

由於IL-1β在炎症中發揮重要作用，文章最後在小鼠中以結腸炎為模型，利用葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導結腸炎的條件下研究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。

圖 3. Sirt5抑制小鼠中DSS誘導的腸炎。

總結：該研究揭示了蛋白質翻譯後修飾／PTM在免疫反應中的作用。表明除了常見的磷酸化修飾、泛素化修飾之外，其它如琥珀醯化等PTM修飾在炎症、免疫反應中扮演重要角色。同時還發現蛋白PTM影響其多聚狀態，進而影響蛋白的亞細胞定位，加深了我們對PTM功能的理解。

參考文獻：

1] Park, J.et al.SIRT5-mediated lysine desuccinylation impacts diverse metabolic pathways.Molecular cell

2] Xiangyun, Y.et al.Desuccinylation of pyruvate kinase M2 by SIRT5 contributes to antioxidant response and tumor growth.Oncotarget

3] Wang, F., Wang, K., Xu, W.,et al. (2017). SIRT5 desuccinylates and activates pyruvate kinase M2 to block macrophage IL-1β production and to prevent DSS-induced colitis in mice.Cell Rep.

景傑生物通過整合以組學為導向（包括基因蛋白質組學和組蛋白密碼組學）的生物標誌物發現、以生物標誌物為導向的藥物研發、以高質量抗體為基礎的診斷試劑盒開發這三個環節，逐步構建起「疾病精準分層」、「精準藥物研發」、「疾病精準診斷」 三位一體的精準醫療產業化發展的運作鏈條，從而為精準醫療產業化開創出一片廣闊前景, 並開闢出一條可行路徑。

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