孔令义/汪俊松团队联合研究成果揭示衣康酸抗炎机制
细胞对免疫应答的代谢适应，也称为免疫代谢，在调节细胞免疫功能上发挥着重要地位。巨噬细胞是先天免疫系统的主要组成部分，在机体的主动防御和维持内环境稳态上起着至关重要的作用。巨噬细胞存在M1（促炎）和M2（抗炎）两种表型，M1型巨噬细胞以高增殖和对免疫刺激的迅速应答为特征，可以被LPS活化，在此过程中很多代谢物的水平会发生变化，能量代谢从氧化磷酸化转变为有氧糖酵解。M1型巨噬细胞采用能量产生效率低下的有氧糖酵解，是因为其对能量的快速产生和生合成原料有很高要求，以满足其增殖和生合成需要。GAPDH是糖酵解的限速酶，催化从甘油醛3-磷酸到1,3-二磷酸甘油酸。显著上调的糖酵解和GAPDH活性的升高是活化的巨噬细胞的特征。
衣康酸是一种免疫代谢物（immunometabolite），具有显著的抗炎效果，但对于其机制仍然没有被充分理解。衣康酸是三羧酸中间体顺乌头酸在顺乌头酸脱羧酶的催化下脱羧形成的五碳二羧酸 ，含有α, β-不饱和羧酸结构。很多含有这一片段的内源性代谢物可以通过迈克尔加成反应烷基化蛋白的半胱氨酸残基，例如富马酸酯可以烷基化KEAP1和GAPDH。那么衣康酸是否也能烷基化GAPDH，从而抑制糖酵解而发挥其抗炎作用了？
2019年11月8日，中国药科大学孔令义教授团队与南京理工大学分子代谢中心汪俊松教授团队合作在Nature Communications在线发表了题为4-Octyl itaconate inhibits aerobic glycolysis by targeting GAPDH to exert anti-inflammatory effects的研究论文，揭示了4-辛基衣康酸（4-OI）靶向GAPDH，抑制糖酵解而发挥抗炎作用。
衣康酸本身极性很大，不利于透膜开展细胞试验。作者采用了其衍生物4-辛基衣康酸（4-OI）开展了后继实验。LC-MS/MS蛋白质谱对4-OI 处理过的RAW264.7细胞进行检测，显示4-OI直接作用于GAPDH上的22位半胱氨酸残基。作者进一步使用重组的小鼠GAPDH，发现4-OI可以烷基化 Cys 22和Cys 245 (不影响GAPDH活力)。4-OI降低了细胞外酸化率，增加了细胞内的耗氧量。作者进一步用同位素标记的U13C-glucose进行了代谢流分析，发现4-OI增加了LPS刺激的BMDM细胞中GAPDH上游代谢物二羟丙酮磷酸的含量，减少了其下游代谢物乳酸含量，证明了4-OI在GAPDH这一关键节点处阻断了糖酵解通量，抑制GAPDH活力是4-OI介导的糖酵解下调的原因。
Irg1 (Immunoresponsive gene 1) 是编码顺乌头酸脱羧酶的基因，作者进一步检测了野生型和Irg1-/ -BMDM细胞，发现GAPDH活性在LPS刺激的Irg1-/ -BMDM细胞中要远高于野生型，并伴随着显著增加的乳酸含量和细胞外酸化率 (ECAR) 以及减少的氧消耗率(OCR)，证明了Irg1-/ -BMDM细胞中糖酵解明显增强。炎症因子在LPS刺激的Irg1-/ -BMDM细胞中也显著升高，这些结果有力地说明阻止内源性衣康酸生成的增加抑制了GAPDH活性和糖酵解，进而促进炎症。
为了进一步证实Cys 22在GAPDH中的重要地位，作者在RAW264.7巨噬细胞中过表达了WT GAPDH (GAPDH-WT) 和 Cys-22 mutant GAPDH (GAPDH-C22A) ，过表达的GAPDH-WT（而不是GAPDH-C22A）可以弥补4-OI 对炎症因子的抑制效应，表明4-OI的抗炎效应就是源自于其对GAPDH Cys-22的烷基化。
糖酵解抑制剂2-deoxy-D-glucose（2-DG，己糖激酶的竞争性抑制剂），heptelidic acid （GAPDH抑制剂）重现了4-OI对炎症因子的抑制效应，此外4-OI和heptelidic acid一样，抑制了TNF-α的翻译，但是对其转录没有影响。4-OI, 2-DG和heptelidic acid 都能抑制nuclear factor-κB (NF-κB) 的核移位，减轻炎症。在动物模型中，进一步确证了4-OI能够减少乳酸含量，有效抑制炎症释放，增加脓毒血症C57BL/6J小鼠的存活率。该研究对4-OI调控代谢重编程提出了新颖的见解，并强调了靶向有氧糖酵解在治疗炎性疾病中的重要性，这为今后抗炎新药的研发提供了新的思路。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13078-5.pdf
