Adv Sci | 打蛇打七寸！降低琥珀酰化影响线粒体氧化应激，可缓解急性肝损伤

学术 2024-08-28 16:22 浙江

景杰生物 | 报道

乙酰氨基酚（APAP）以其解热镇痛的双重功效，成为我们生活中的常备药品。然而，这个“明星”药物也有它的阴暗面——过量摄入APAP可能引发急性肝损伤（APAP-induced acute liver injury, AILI）。研究发现，过量的APAP最终会导致线粒体功能障碍，因此维持或改善线粒体功能可能是治疗AILI的关键方法。

琥珀酰化修饰（Succinylation）作为一种由线粒体代谢中间产物琥珀酰辅酶A介导的新型修饰，大量发生在线粒体相关蛋白质上，并与线粒体功能间的联系十分密切，对线粒体失调相关疾病的研究具有关键作用。对于琥珀酰化修饰的研究而言，调控酶Sirtuin 5（SIRT5）一直备受关注。作为重要的去琥珀酰化修饰酶，SIRT5参与调节多种生物过程，如活性氧防御、脂肪酸代谢和细胞凋亡等等，可谓是攻防兼备的“金箍棒”。

8月19日，郑州大学第一附属医院陈三洋、朱长举、郭文治团队联合在Advanced Science（IF=14.3）上在线发表了题为“Sirtuin 5-Mediated Desuccinylation of ALDH2 Alleviates Mitochondrial Oxidative Stress Following Acetaminophen-Induced Acute Liver Injury”的最新研究成果。他们发现在APAP诱导过程中，肝脏并非孤立无援，它有它的“守护者”—— SIRT5和乙醛脱氢酶2（ALDH2）。

SIRT5通过介导ALDH2 K385位点的去琥珀酰化，减轻了APAP诱导的急性肝损伤后的线粒体氧化应激，从而发挥对急性肝损伤的保护作用。值得注意的是，这是科学家们首次提出靶向SIRT5-ALDH2轴可能是AILI的一种潜在治疗方法，同时也提示我们，蛋白质琥珀酰化在AILI的发病机制中起关键作用，靶向琥珀酰化可能作为减轻APAP诱导的肝损伤的新型治疗策略。景杰生物为该研究提供了琥珀酰化修饰组学技术支持及琥珀酰化修饰泛抗体。

SIRT5可改善APAP诱导的肝脏毒性

已有证据表明，主要分布于线粒体的SIRT5在肝脏疾病中发挥重要作用。然而SIRT5在急性肝损伤中的作用尚未阐明。

研究团队首先分析了对照组和APAP处理后的小鼠肝组织转录组数据，发现APAP给药后肝组织中SIRT5的表达显著下调。通过H&E染色和细胞实验得到了同样的结论，即APAP处理后，SIRT5的mRNA和蛋白质表达水平均下调，表明SIRT5参与了急性肝损伤调控。

接下来，他们构建了SIRT5-KO和过表达小鼠，结果发现与正常小鼠相比，APAP给药后SIRT5-KO小鼠的肝细胞死亡率更高。相反，SIRT5过表达小鼠的肝细胞死亡显著减少。体外细胞实验也证实了SIRT5对APAP诱导的肝脏毒性具有保护作用。由此，我们不难看出，SIRT5可以改善APAP诱导的肝脏毒性。

图1 SIRT5可改善APAP诱导的肝脏毒性

SIRT5抑制APAP诱导的肝脏炎症和AILI线粒体氧化应激

APAP诱导的肝脏毒性与炎症发生密切相关。研究团队通过对正常小鼠，SIRT5-KO小鼠，SIRT5过表达小鼠分别给药APAP后发现，SIRT5抑制了APAP诱导的急性肝损伤炎症。

此外，在急性肝损伤过程中，会导致线粒体功能障碍，产生ROS，释放线粒体细胞死亡因子，最终导致肝细胞死亡。实验发现SIRT5-KO小鼠在APAP给药后MDA（丙二醛）水平显著增加，而SOD（超氧化物歧化酶）和GSH（谷胱甘肽）水平显著降低，同时有更多的ROS产生，表明SIRT5的缺失加剧了APAP引起的线粒体氧化应激和肝脏ROS产生。相反，SIRT5的过表达显著抑制了线粒体氧化应激，改善了因APAP导致的线粒体嵴丧失和膜破裂。这些证据表明SIRT5可抑制急性肝损伤期间的线粒体氧化应激。

图2 SIRT5抑制APAP诱导的急性肝损伤线粒体氧化应激

SIRT5介导ALDH2 K385位点的去琥珀酰化

鉴于SIRT5的去琥珀酰化酶活性，在之前大量报道中均参与到许多疾病的发生发展，那么琥珀酰化修饰组学必然是探究其作用机制的不二选择。

作者对APAP处理的正常小鼠和SIRT5-KO小鼠进行了琥珀酰化修饰组学检测，结果共鉴定出1559个蛋白质中的8226个赖氨酸琥珀酰化修饰位点。重要的是，SIRT5缺陷诱导了急性肝损伤中整体琥珀酰化修饰水平的增加。

在这些蛋白中，乙醛脱氢酶2（ALDH2，参与线粒体氧化应激的关键酶）引起了研究团队的关注。SIRT5缺陷导致ALDH2在K370/377/385位点的琥珀酰化修饰水平显著上调，并且其中K370和K385在不同物种中高度保守。

通过将赖氨酸（K）突变为谷氨酸（E）模拟琥珀酰化，将K突变为精氨酸（R）模拟去琥珀酰化进行验证发现，K385是ALDH2上关键的琥珀酰化位点，可影响其酶活。此外，SIRT5可与ALDH2发生相互作用，主要通过ALDH2在K385位点处的去琥珀酰化来缓解急性肝损伤。

图3 SIRT5介导ALDH2 K385位点的去琥珀酰化

SIRT5介导ALDH2 K385的去琥珀酰化可减轻APAP诱导的急性肝损伤

为探究ALDH2-K385去琥珀酰化在急性肝损伤中的作用，研究生成了AAV-GFP、AAV-ALDH2-WT和AAV-ALDH2-385K-E过表达的转染小鼠。检测APAP给药后ALDH2的活性、线粒体氧化应激和炎症情况后发现，ALDH2 K385的去琥珀酰化可以保护小鼠免受急性肝损伤的侵害。

进一步的，通过在SIRT5-KO小鼠中引入AAV-GFP、AAV-ALDH2-WT或AAV-ALDH2-385K-E，检测APAP处理后的各项生理指标，作者发现APAP处理增加了ALDH2的琥珀酰化，而ALDH2-385K-E小鼠肝脏中ALDH2的琥珀酰化程度低于ALDH2-WT小鼠。此外，在APAP给药后，ALDH2-385K-E小鼠的转氨酶水平、肝坏死面积和肝细胞死亡增加，线粒体氧化应激和炎症加重。

这些结果证明，SIRT5介导ALDH2 K385的去琥珀酰化减轻了APAP诱导的急性肝损伤。

图4 ALDH2在K385位点的去琥珀酰化介导SIRT5在急性肝损伤中的保护作用

葛根素激活SIRT5可减轻急性肝损伤

最后，研究团队通过化合物筛选结合实验验证，确认了SIRT5可与葛根素互作形成复合物。功能研究发现，葛根素对SIRT5的激活可减弱急性肝损伤，提示葛根素可作为临床治疗急性肝损伤的潜在药物。

综上所述，这项研究成果表明SIRT5通过调节线粒体氧化应激在急性肝损伤中发挥保护作用。从机制上说，SIRT5抑制了ALDH2 K385的琥珀酰化，增加了后者的酶活性，从而抑制了线粒体氧化应激。同时，本研究也首次表明靶向SIRT5-ALDH2轴是急性肝损伤的潜在治疗方法。

景杰评述

琥珀酰化修饰是近年来被广为关注的新型蛋白质翻译后修饰类型，与多种疾病有关，包括癌症、损伤、炎症和代谢紊乱等等。而本文的发现进一步扩大了我们对其诱导疾病发病机制的理解，证实了琥珀酰化修饰在急性肝损伤的发病机制中起关键作用。靶向琥珀酰化或可作为减轻APAP诱导的肝损伤的新型治疗策略，具有重大的科学价值和潜在的临床意义。

本研究由去琥珀酰化酶SIRT5出发，发现其与疾病表型相关，进而引入琥珀酰化修饰组学的检测，最终锁定到疾病调控的关键蛋白和位点。这一整套层层递进的研究思路值得我们学习借鉴。类似的研究案例也有很多，例如：

研究发现镉暴露抑制了SIRT5的表达，进而增加了RAB7A的K31位的琥珀酰化修饰，抑制了RAB7A的活性，从而导致自噬流受阻（点击链接详细阅读：Adv Sci | SIRT5介导去琥珀酰化在镉诱导的类阿尔茨海默症中的作用与进展）。
研究发现，SIRT5作为去琥珀酰化修饰酶，在前列腺癌发展过程中通过降低LDHA-K118位点的琥珀酰化修饰，进而降低其活性，从而抑制癌细胞迁移。（点击链接详细阅读：SIRT5介导去琥珀酰化修饰，抑制前列腺癌转移）

此外，线粒体作为营养物质代谢的主要场所，其代谢过程的中间产物，如乳酸、琥珀酰辅酶A等，能够介导蛋白质发生翻译后修饰。当线粒体与酰化/新型酰化修饰强强联合，则能极大增强研究的创新性。这样的研究方向也值得我们参考学习。例如：

研究通过乳酸化修饰组学首次揭示了LRP1通过调节细胞代谢影响ADP-核糖基化因子 1（ARF1）的乳酸化修饰，进而调控星形胶质细胞-神经元细胞间线粒体转移，这一过程可以拮抗缺血所造成的器官损伤（点击链接详细阅读：Cell Metab | 江涌/李涛/曹洋团队联合揭示乳酸化影响星形胶质细胞线粒体转运新机制）。
研究运用巴豆酰化修饰组学首次揭示了缺血/再灌注 (I/R) 损伤后的巴豆酰化修饰图谱，并证明了线粒体和肌丝蛋白巴豆酰化在I/R损伤应激反应中对心脏修复至关重要（点击链接详细阅读：Circ Res | 广州市妇女儿童医疗中心韦建瑞团队揭示心肌损伤中巴豆酰化介导的修复机制）。

参考文献：

Yu Q, et al. 2024. Sirtuin 5-Mediated Desuccinylation of ALDH2 Alleviates Mitochondrial Oxidative Stress Following Acetaminophen-Induced Acute Liver Injury. Adv Sci.

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