JCI | 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

2023-03-17 15:23:44, BioArt

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后，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ITA含有α,β不饱和羧酸结构，它能通过迈克尔加成反应修饰蛋白质中的半胱氨酸残基，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-κB和JAK-STAT1通路中炎症基因表达【6】。事实上，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作用机制，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。该研究首次发现了特异性感知胞外ITA的G蛋白偶联受体（G protein coupled receptor, GPCR）受体—OXGR1 (Oxoglutarate receptor 1)，并证实了ITA-OXGR1信号轴在呼吸道天然免疫中发挥重要作用，以抵御病原体感染。

研究发现巨噬细胞在脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激30小时之后，约94%的ITA被分泌到胞外。利用对含有 301 个 GPCR 的基因文库（包含超过 70%非嗅觉 GPCR）进行高通量筛选，发现OXGR1是唯一能够被ITA激活的蛋白受体。生化和细胞实验表明，ITA通过与 OXGR1 的正构位点相互作用，引发下游的信号通路，包括钙离子释放、ERK 磷酸激酶的激活、受体蛋白的细胞内吞等。在OXGR1过表达细胞中，ITA激活OXGR1的半数激活浓度 EC₅₀约为220μM，该浓度为内源ITA可以达到的水平。OXGR1在呼吸道上皮细胞中特异性表达，并且在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信号轴很可能在呼吸道天然免疫中发挥作用。

粘膜纤毛清除（mucociliary clearance, MCC）是呼吸道实现其屏障功能，维护机体稳态的重要天然免疫机制。MCC过程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。功能实验结果表明，ITA能够激活OXGR1和增加小鼠呼吸道上皮粘蛋白分泌，还能促进小鼠和人类呼吸道上皮的纤毛运动。在铜绿假单胞菌的感染模型中，Oxgr1和Irg1基因缺陷小鼠比野生型小鼠显示出更严重的肺部病原体感染。鼻腔吸入外源ITA能够降低野生型和Irg1基因缺陷小鼠的肺部荷菌量，而在Oxgr1基因缺陷小鼠中则无抵御病原体感染的保护作用。上述遗传学动物模型的结果，有力证实了ITA-OXGR1信号轴在呼吸道天然免疫中发挥重要作用（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。

图1. ITA-OXGR1信号轴在呼吸道天然免疫中发挥重要作用

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Cullgen 熊跃教授的支持，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

制版人：十一

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.