“拨云揭雾”--- 蛋白质组学揭示琥珀酰化修饰在炎症反应中的作用

景杰编者按：翻译后修饰对蛋白的生理功能有着关键作用，尤其是近年来新发现的多种新型酰化修饰，其功能和调控机制逐渐成为了人们研究的热点。在此背景下，复旦大学生物医学研究院杨芃原、余红秀团队于2017年6月13日在国际知名期刊Cell Reports上发表重要研究成果，发现去琥珀酰化酶SIRT5通过糖酵解过程中关键酶PKM2对炎症的调控作用，揭示了琥珀酰化这一重要的蛋白修饰对PKM2蛋白功能进而对疾病（结肠炎）发生有着重要影响。景杰生物作为全球蛋白质及蛋白质修饰的领跑者，参与鉴定了多种赖氨酸新型修饰，通过其蛋白质质谱平台和全球独有的翻译后修饰抗体，在新型酰化修饰领域获得了一系列重要的研究成果，极大地推动了蛋白质翻译后修饰的研究。景杰生物可以为您提供从蛋白质组、蛋白修饰组学再到抗体定制的全套方案，助力您的科研工作。

关键词：琥珀酰化、去琥珀酰化酶、SIRT5、炎症、糖酵解、PKM2、丙酮酸激酶 M2

图 1. SIRT5对PKM2的去琥珀酰化，影响其多聚状态，抑制PKM2入核激活IL-1β的表达，进而抑制炎症反应。

近些年来，以芝加哥大学的赵英明教授为代表的研究人员发现了多种新型蛋白质酰化修饰，大大增加我们对蛋白质翻译后修饰的认识 。这些新型酰化修饰已经被发现广泛参与了代谢调节、表观遗传、信号转导等多种生命过程，并与肿瘤、心脏病、免疫类疾病等有密切的联系。SIRT家族是重要的去酰化酶家族，其中SIRT5并不调控常见的乙酰化，但却可以调控其它新型酰化修饰，遂成为该领域研究的焦点之一。2013年，赵英明教授首先在Molecular Cell上报道发现了SIRT5介导的去琥珀酰化活性，并发现琥珀酰化修饰参与中心代谢的调控[1]，其中，糖酵解途径中的丙酮酸激酶M2（PKM2）就是SIRT5直接的靶蛋白 。陆舜教授之后报道了SIRT5可以通过影响PKM2来调节肿瘤的增殖 [2]。然而，由于SIRT5同时具有去琥珀酰化、丙二酰化、戊二酰化三种酰化修饰的能力，那么SIRT5是通过哪类修饰的调节来影响PKM2仍然未知。

在此背景下，杨芃原教授等在题为“SIRT5 desuccinylates and activates pyruvate kinase M2 to block macrophage IL-1β production and to prevent DSS-induced colitis in mice”一文中首先确定了SIRT5与PKM2的相互作用，进一步使用景杰生物自主研发的泛修饰抗体证明了SIRT5对PKM2的琥珀酰化而非丙二酰化或戊二酰化的调控 [3]。SIRT5 knockdown细胞系中，PKM2的琥珀酰化水平的上调导致PKM2由四聚体转化为二聚体，抑制了该酶的活性。同时PKM2二聚体可以入核与HIF1α相互作用，激活IL-1β的表达，并增强了巨噬细胞的糖酵解作用 （图 1）。

图 1. SIRT5对PKM2的去琥珀酰化，影响其多聚状态，抑制PKM2入核激活IL-1β的表达，进而抑制炎症反应。

利用质谱技术鉴定到PKM2上的7个可被琥珀酰化的位点，其中第311为赖氨酸（Lys311）在进化上高度保守。PKM2的K311E突变体而言，其激酶活性降低，同时进入细胞核的量增加。SIRT5正是通过调控K311的琥珀酰化水平来影响PKM2的活性以及细胞内分布来影响炎症应答 。

图 2. 蛋白质质谱在PKM2上鉴定到7个去琥珀酰化位点。

由于IL-1β在炎症中发挥重要作用，文章最后在小鼠中以结肠炎为模型，利用葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导结肠炎的条件下研究SIRT5的功能，发现Sirt5敲除小鼠结肠炎明显加重。这些结果提示SIRT5不仅调控巨噬细胞代谢，还可能调控巨噬细胞代谢，在结肠炎甚至结肠炎癌恶性转化中有重要功能。

图 3. Sirt5抑制小鼠中DSS诱导的肠炎。

总结：该研究揭示了蛋白质翻译后修饰／PTM在免疫反应中的作用。表明除了常见的磷酸化修饰、泛素化修饰之外，其它如琥珀酰化等PTM修饰在炎症、免疫反应中扮演重要角色。同时还发现蛋白PTM影响其多聚状态，进而影响蛋白的亚细胞定位，加深了我们对PTM功能的理解。

参考文献：

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.

景杰生物通过整合以组学为导向（包括基因蛋白质组学和组蛋白密码组学）的生物标志物发现、以生物标志物为导向的药物研发、以高质量抗体为基础的诊断试剂盒开发这三个环节，逐步构建起“疾病精准分层”、“精准药物研发”、“疾病精准诊断” 三位一体的精准医疗产业化发展的运作链条，从而为精准医疗产业化开创出一片广阔前景, 并开辟出一条可行路径。