PHGDH/SYK——连接抗真菌免疫和丝氨酸代谢的纽带

学术   2024-09-18 09:34   北京  
——背景——
人类的健康常常受到真菌感染的威胁。白色念珠菌(Candida albicans)和烟曲霉菌(Aspergillus fumigatus, Af)是最常见的感染性真菌。尽管现有一些效果不错的抗真菌药物,但抗真菌药物的耐药性问题也日益严重。白色念珠菌和烟曲霉菌感染的死亡率均在30%以上。此前有研究发现,Warburg效应和谷氨酰胺代谢对于抗真菌免疫反应是必要的,但一碳单位在抗真菌免疫中的作用尚不明确。近日,南京医科大学的陈艾东研究组在Cell Death & Differentiation发表了题为“PHGDH/SYK: a hub integrating anti-fungal immunity and serine metabolism”的研究文章[1]。他们发现真菌感染会诱导脾酪氨酸激酶SYK和磷酸甘油酸脱氢酶PHGDH之间相互作用,促使免疫细胞的代谢途径从糖酵解转向丝氨酸合成途径和一碳代谢,揭示了机体在抗真菌感染的过程中氨基酸代谢、表观遗传修饰和C型凝集素受体信号通路之间的关系。

——实验结果——

1.真菌感染使能量代谢转向PPP、SSP和一碳代谢

为了评估真菌感染对葡萄糖代谢的影响,作者用C13标记的葡萄糖测量了烟曲霉菌感染的骨髓来源的巨噬细胞(BMDM)中糖酵解、磷酸戊糖途径(PPP)、丝氨酸合成通路(SSP)和一碳代谢中对葡萄糖的利用情况。结果显示,巨噬细胞中葡糖6磷酸(G6P),三磷酸甘油酸(3PG),丙酮酸,乳酸,丝氨酸,甘氨酸和甲硫氨酸中的C13掺入量在感染后均升高,而磷酸烯醇丙酮酸(PEP)中则没有明显变化。这说明增加的糖酵解流量流向了丝氨酸代谢通路和一碳代谢。

由于烟曲霉菌感染引起的胞内含量增多的丝氨酸大多都是未标记的,研究者们又采用C13标记的丝氨酸检测了是否额外的机制使丝氨酸进入一碳代谢。结果显示,感染使得细胞对丝氨酸和甘氨酸的摄取增加,外源的丝氨酸被掺入到ADP、ATP、SAM和SAH中,但未参与到甲硫氨酸循环中。他们还检测了感染后细胞内炎症因子和相关生物标志物的表达情况。结果显示烟曲霉菌感染以时间依赖的方式诱导了TNF-α和IL-6蛋白表达水平的升高,PHGDH活性的升高以及丝氨酸、甘氨酸含量的升高。这些发现表明,真菌感染诱导细胞中糖酵解流量进入PPP、SSP和一碳代谢通路,从而导致SAM的生成。

图1. 真菌感染促使葡萄糖流量从糖酵解转向SSP和一碳代谢

2.PPP、SSP和一碳代谢对于抗真菌的固有免疫至关重要

接着研究者检测了分别加入PHGDH抑制剂NCT502和NCT503,SHMT1/2抑制剂RZ2994,MAT抑制剂PF9366,SAHH抑制剂3DZA之后,BMDM细胞中TNFα和IL-6的表达情况。结果显示,对相关酶的抑制能够以剂量依赖的形式抑制BMDM细胞中相关炎症因子的表达。研究者还通过siRNA的方式敲低了PHGDH,SHMT2,MTHFD2,MAT,SAHH的表达水平,并检测了相关炎症因子的表达情况。与加入抑制剂相同,结果显示相应酶的敲低也会降低细胞中TNFα和IL-6的表达水平。这些发现表明,激活的一碳流量和下游的SAM生成对抗真菌的固有免疫是必需的。

图2. PPP、SSP和一碳代谢对于抗真菌的固有免疫至关重要

3.真菌感染通过PHGDH/SYK复合体调控SSP和CLR信号通路

为了确定SSP在抗真菌免疫中的作用,作者通过ELISA检测了NCT503处理后细胞内不同固有免疫配体的含量变化,发现了SSP主要通过C型凝集素通路进行信号传导。接着作者通过siRNA对CLR信号通路中的SYK,CAR9,BCL10,JNK以及p65进行筛选,确定了PHGDH主要通过与SYK进行相互作用进行信号传导。

由于SYK位于CLR信号通路级联反应的上游,而PHGDH是SSP的第一个限速酶,作者推测SYK会与PHGDH直接相互作用。共免疫沉淀实验结果显示,Flag标记的PHGDH能够特异性地与Myc标记的SYK相互作用,而不与HA标记的SHP-1或V5标记的dectin-1相互作用(图3A–C)。内源性Co-IP结果显示,在未刺激的细胞中,PHGDH不与SYK相互作用。然在zymd和α-mannan刺激30分钟后,引起了PHGDH和SYK的结合(图3D-E)。为了进一步确定PHGDH与SYK相互作用的区域,研究者设计了不同的PHGDH的截断突变体并进行了Co-IP实验。结果显示,PHGDH的ACT结构域对两者的相互作用是必需的(图3F)。类似地,SYK的SH2结构域对相互作用也是必需的(图3G)。接下来,研究者通过竞争性IP实验评估了PHGDH对SYK、dectin-1和SHP-1相互作用的影响。结果显示,PHGDH促进了SYK和dectin-1的结合,并抑制了SYK和SHP-1的结合(图3H-I)。

图3. SYK和PHGDH的相互作用

4.PHGDH调节了抗真菌的固有免疫

由于PHGDH与SYK相互作用,而SYK在CLR信号传导通路中至关重要,于是作者推测PHGDH能够调节CLR信号传导。作者通过PHGDH敲除的BMDM细胞和小鼠模型分别检测了不同刺激条件下对照组和PHGDH敲除组的反应情况,确认了PHGDH的敲除确实会减弱细胞的抗感染反应。

然后作者测试了PHGDH是否参与SYK介导的CLR通路的调节。结果显示,在用zymd和α-mannan刺激后,Phgdh敲除的BMDM细胞中SYK的磷酸化水平低于对照组,且SYK依赖的PLCγ2和PKCδ的磷酸化,以及下游分子ERK、JNK、p65和p38的磷酸化也有所减弱。

5.SYK调节了真菌感染过程中的SSP、一碳代谢和氧化还原平衡

接着作者检测了SYK是否会参与抗感染过程中的代谢调节。作者首先构建了Syk基因敲除鼠,然后通过C13标记的葡萄糖检测了抗感染过程中细胞对葡萄糖的利用情况。结果显示,相比于野生型小鼠在感染后G6P、3PG、乳酸、丝氨酸和甘氨酸中C13掺入量的提高,Syk基因敲除鼠在感染后对葡萄糖的利用没有明显变化。

另外,作者发现烟曲霉菌感染增加了野生型小鼠中的PHGDH的活性和磷酸化水平,但对Syk敲除小鼠中的PHGDH没有明显影响。于是作者尝试探究PHGDH的活性是否与SYK的催化功能相关。结果显示,SYK的过表达能够增强PHGDH的活性但SYK的激酶活性缺失突变体(SYK K402R)对PHGDH的活性没有明显的调节作用。此外,作者还发现SYK的缺失消除了烟曲霉菌感染引起的GSH/GSSG比率、NADPH/NADP+比率以及ROS、丝氨酸和甘氨酸水平的改变。这些结果表明,SYK在真菌感染调节的PPP、SSP和氧化还原稳态中是必需的。

之后,作者还探究了外源性甲硫氨酸和丝氨酸对抗真菌免疫中的作用,发现外源性丝氨酸和甲硫氨酸能够通过促进SAM的生成来增强抗真菌免疫的效果,并且发现SAM生成及其驱动的甲基化反应协同调节真菌感染期间细胞核内的组蛋白甲基化修饰。基于这些证据,作者认为,抗真菌感染的先天免疫是代谢调控的组蛋白修饰的下游效应。

——总结——
综上,研究者在本项研究中首次发现了氨基酸代谢,表观遗传修饰和抗真菌固有免疫三个系统间的直接关联,鉴定出了PHGDH-SYK这组对于氨基酸代谢和抗真菌固有免疫所必需的相互作用,揭示了氨基酸代谢在CLR信号通路中的新功能,加深了我们对于抗真菌固有免疫的理解。

参考文献

[1] https://www.nature.com/articles/s41418-024-01374-7

作者:郭   政
审稿:由瀚天
编辑:黄志贤

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