J Clin Invest丨叶丹团队发现特异性感知胞外衣康酸的G蛋白偶联受体OXGR1并揭示其在天然免疫中的作用

发表时间:2023-03-17  |  阅读次数:1923次  |  字体大小 [ ]

 衣康酸(Itaconate, ITA)是具有抗炎活性的天然免疫代谢物。巨噬细胞在被病原体感染和激活后,胞内代谢酶IRG1蛋白迅速被诱导表达,催化顺乌头酸脱羧和生成ITA。胞内积累的ITA能够抑制琥珀酸脱氢酶 (SDH)的活性,使得三羧酸循环中断并积累琥珀酸(Succinate)。此外,因其分子结构上含有α,β不饱和羧酸结构,ITA还能通过迈克尔加成反应修饰蛋白,例如GAPDH[1], ALODA[2], NLRP3[3],TFEB[4], JAK[5]等,进而影响糖酵解和炎症信号转导等细胞活动过程。2022年3月,叶丹课题组曾报道ITA与α-酮戊二酸(α-KG)结构类似,能够竞争性结合和抑制DNA双加氧酶TET2活性,抑制NF-kB和JAK-STAT1通路中炎症基因表达[6]。许多研究表明,巨噬细胞激活时产生的ITA不仅在胞内积累,也能够被分泌到细胞外。既往研究都关注了ITA在巨噬细胞内部的功能及机制,而对于分泌到细胞外的ITA有何生物学功能,却鲜有报道。

2023年3月15日,复旦大学生物医学研究院叶丹课题组在The Journal of Clinical Investigation杂志上以长文形式发表了题为The immunometabolite itaconate stimulates OXGR1 to promote mucociliary clearance during pulmonary innate immune response的研究论文。该研究通过对G蛋白偶联受体(G protein coupled receptor, GPCR)基因文库的高通量筛选,首次发现了特异性感知胞外ITA的GPCR受体—OXGR1 (Oxoglutarate receptor 1),并证实了ITA-OXGR1信号轴在呼吸道天然免疫过程中发挥重要作用,以抵御病原体感染。

细胞实验结果表明,在脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激30小时之后,约94%的ITA被分泌到巨噬细胞之外。利用课题组构建的GPCR基因文库的高通量筛选,发现OXGR1是唯一能够被ITA激活的蛋白受体。在OXGR1过表达细胞中,ITA激活OXGR1的半数激活浓度 EC50 约为220μM。ITA刺激通过Gαq蛋白引起细胞钙离子内流和OXGR1受体内吞,并上调ERK(extracellular regulated protein kinases)蛋白的磷酸化水平。

鉴于OXGR1在呼吸道上皮细胞中特异性表达,并且在多种呼吸道感染的小鼠模型和病人样品中均能检测到IRG1表达和ITA积累[7,8],由此推测ITA-OXGR1信号轴可能在呼吸道天然免疫中发挥调控作用。粘膜纤毛清除(mucociliary clearance, MCC)是呼吸道实现其屏障功能,维护自身稳态的重要天然免疫机制。MCC涵盖了呼吸道上皮细胞分泌粘蛋白,将呼吸道中的病原体或异物包裹,并通过纤毛运动转运排出等环节。体内动物实验结果表明,ITA能够激活OXGR1和促进小鼠呼吸道上皮的纤毛运动和粘蛋白分泌。在铜绿假单胞菌感染模型中,Oxgr1和Irg1基因缺陷小鼠与野生型小鼠相比,均显示出更严重的呼吸道感染。鼻腔吸入外源ITA能降低野生型和Irg1基因缺陷小鼠的肺部感染水平,而对于Oxgr1基因缺陷小鼠则无保护作用。上述遗传学动物模型的实验结果,有力证实了ITA-OXGR1信号轴在呼吸道天然免疫过程中发挥重要作用(图1)。

该工作首次报道了衣康酸具有旁分泌信号分子的新属性,拓展了对该天然免疫代谢物通过激活其特异蛋白受体OXGR1发挥免疫调节功能的科学认知,为代谢物介导不同细胞类型之间信息交流的观点提供了又一实证。

 复旦大学生物医学研究院博士研究生曾伊蓉、宋俊滨为本文共同第一作者。叶丹研究员、王璞青年副研究员为共同通讯作者。该工作得到了北卡罗来纳大学熊跃教授、加州大学圣地亚哥分校管坤良教授的支持,还得到了华南农业大学束刚教授提供Oxgr1基因敲除小鼠的支持。


原文连接:https://www.jci.org/articles/view/160463


参考文献:

1. Qin W, Qin K, Zhang Y, Jia W, Chen Y, Cheng B, Peng L, Chen N, Liu Y, Zhou W, Wang YL, Chen X, Wang C. S-glycosylation-based cysteine profiling reveals regulation of glycolysis by itaconate. Nat Chem Biol. 2019 Oct;15(10):983-991. 

2. Liao ST, Han C, Xu DQ, Fu XW, Wang JS, Kong LY. 4-Octyl itaconate inhibits aerobic glycolysis by targeting GAPDH to exert anti-inflammatory effects. Nat Commun. 2019 Nov 8;10(1):5091.

3. Hooftman A, et al. The Immunomodulatory Metabolite Itaconate Modifies NLRP3 and Inhibits Inflammasome Activation. Cell Metab. 2020 Sep 1;32(3):468-478.e7. 

4. Zhang Z, Chen C, Yang F, Zeng YX, Sun P, Liu P, Li X. Itaconate is a lysosomal inducer that promotes antibacterial innate immunity. Mol Cell. 2022 Aug 4;82(15):2844-2857.e10.

5. Runtsch MC, et al.  Itaconate and itaconate derivatives target JAK1 to suppress alternative activation of macrophages. Cell Metab. 2022 Mar 1;34(3):487-501.e8.

6. Chen LL, et al. Itaconate inhibits TET DNA dioxygenases to dampen inflammatory responses. Nat Cell Biol. 2022 Mar;24(3):353-363.

7. Pseudomonas aeruginosa Utilizes Host-Derived Itaconate to Redirect Its Metabolism to Promote Biofilm Formation.

8. Chua RL, et al. COVID-19 severity correlates with airway epithelium-immune cell interactions identified by single-cell analysis. Nat Biotechnol. 2020 Aug;38(8):970-979.


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