冯平辉组揭示蛋白脱氨化在调控细胞炎症反应与代谢增殖中的机制

蛋白的脱氨反应(Protein Deamidation)是经典的蛋白质修饰之一。过去的主流科学解释认为,蛋白的脱氨化仅仅是其衰亡的时间表征【1】。伴随蛋白质分子的衰亡,其天门冬酰胺与谷氨酰胺侧链发生水解形成羧酸,进一步导致了蛋白的分解。近些年来,酶催化的蛋白脱氨反应(Enzyme-catalyzed Protein Deamidation)开始逐步成为蛋白质翻译后修饰的新兴研究领域,然而学界对于这一反应的认识仍处于初步阶段。在微生物领域,一些细菌分泌脱氨酶(Protein Deamidase)来攻击重要的宿主免疫蛋白以达到免疫逃逸的目的【2,3】

南加州大学冯平辉研究组常年致力于研究疱疹病毒与宿主的相互作用,并发现了一系列蛋白脱氨化在病毒免疫逃逸中的功能。这些被病毒攻击而脱氨化的宿主靶点包括重要的病毒核苷酸模式识别受体RIG-I与cGAS【4-6】。同时在研究中,也首次发现了病毒携带的脱氨酶,并且宿主含有的一些谷氨酰胺酶(Glutamine Amidotransferases)具备潜在的蛋白脱氨化的能力【7】

2020年4月22日,冯平辉课题组(第一作者为赵军博士)Cell Metabolism上发表了题为”Deamidation shunts RelA from mediating inflammation to aerobic glycolysis“的研究,进一步拓宽了蛋白质脱氨化反应在调控重要细胞活动的功能。

研究发现,参与嘧啶合成的谷氨酰胺酶复合酶——氨甲酰磷酸合成酶II、天冬氨酸转氨甲酰酶、二氢乳清酸酶(Carbamoyl-phosphate synthetase 2, Aspartate transcarbamylase and Dihydroorotase, CAD),拥有嘧啶代谢以外的催化蛋白脱氨化能力(non-metabolic activity)。研究通过筛选发现CAD能够抑制细胞炎症通路NF-κB。进一步的细胞及体外生化实验显示,CAD催化了NF-κB核心转录因子RelA的脱氨化,使得RelA丧失了结合NF-κB启动子的能力,并最终导致炎症反应的降低。这些初步的结果也引出一个重要问题:一个嘧啶代谢酶参与炎症调控的生物学意义何在?

根据以往的文献, CAD在细胞周期内的S期活性达到顶峰,以应对细胞需求大量嘧啶用于DNA复制。实验表明,RelA的脱氨化也同时在S期达到最大化,同时基础的炎症反应相应地降到了最低点。这些现象提示了RelA的脱氨化可能与细胞分裂繁殖相关。当细胞表达了抗脱氨化的RelA突变体,其繁殖与成瘤能力大幅度下降,论证了RelA脱氨化对于细胞繁殖的必要性。另一方面,研究人员注意到表达脱氨化RelA的细胞葡萄糖代谢能力显著增强,提示了脱氨化的RelA可能开拓出全新的蛋白功能。通过转录组学(transcriptomics)和代谢组学(metabolomics)的手段,课题组发现脱氨化的RelA上调了糖酵解途径的几个重要限速酶,以及丙酮酸脱氢酶激酶(PDKs),从而加强了糖酵解(glycolysis)的速率并抑制了线粒体的氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),这一现象是肿瘤发生的著名效应之一(Warburg effect【8】)。以此为基点,课题组通过分析归纳RelA脱氨化在一系列人类癌症细胞中的状态,以及现有的癌组织数据库中RelA突变体与脱氨化的关系,发现了RelA脱氨化与糖酵解和肿瘤生长的正相关性,同时论证了糖酵解的抑制剂对于RelA高脱氨化的肿瘤生长的显著效应。

该项工作阐明了嘧啶合成酶CAD通过催化RelA脱氨化而调控炎症反应与细胞能量代谢,并推动了细胞复制与成瘤的机制。在基础科学层面上,该课题发现了脱氨化可以改变转录因子的基因调控选择性,并揭示了细胞代谢和炎症反应在复制分裂过程中的精确分工与统筹的重要手段。作为转化型研究,课题组希望进一步推进RelA脱氨化在癌症治疗中作为代谢标志物(biomarker)的工作,考察其在肿瘤分型与指导代谢治疗中的作用。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.04.006

1. Robinson, N. E. & Robinson, A. B. Molecular clocks. P Natl Acad Sci USA 98, 944-949, doi:DOI 10.1073/pnas.98.3.944 (2001).
2. Zhao, J., Li, J., Xu, S. & Feng, P. Emerging Roles of Protein Deamidation in Innate Immune Signaling. Journal of virology 90, 4262-4268, doi:10.1128/JVI.01980-15 (2016).
3. Cui, J. X. et al. Glutamine Deamidation and Dysfunction of Ubiquitin/NEDD8 Induced by a Bacterial Effector Family. Science 329, 1215-1218, doi:10.1126/science.1193844 (2010).
4. He, S. et al. Viral Pseudo-Enzymes Activate RIG-I via Deamidation to Evade Cytokine Production. Molecular cell 58, 134-146, doi:10.1016/j.molcel.2015.01.036 (2015).
5. Zhao, J. et al. A Viral Deamidase Targets the Helicase Domain of RIG-I to Block RNA-Induced Activation. Cell Host Microbe 20, 770-784, doi:10.1016/j.chom.2016.10.011 (2016).
6. Zhang, J. et al. Species-Specific Deamidation of cGAS by Herpes Simplex Virus UL37 Protein Facilitates Viral Replication. Cell Host Microbe 24, 234-248 e235, doi:10.1016/j.chom.2018.07.004 (2018).
7. Li, J. et al. Antiviral activity of a purine synthesis enzyme reveals a key role of deamidation in regulating protein nuclear import. Sci Adv 5, eaaw7373, doi:10.1126/sciadv.aaw7373 (2019).
8. Hanahan, D. & Weinberg, R. A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell 144, 646-674, doi:10.1016/j.cell.2011.02.013 (2011).
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