丝氨酸代谢与抗病毒先天免疫
丝氨酸代谢通过阻止ATP6V0d2介导的YAP溶酶体降解拮抗抗病毒先天免疫。 Cell Metabolism 33, 971–987, 2021
导读：徐晶博士
笔记整理：李梦瑶,审校：吕社民博士
作者：Long Shen#, Penghui Hu, Yanan Zhang,..., Zhe Liu, Ting Wang*, Qiujing Yu*
第一作者及通讯作者单位：
1KeyLaboratory of Immune Microenvironment and Disease (Ministry of Education),Department of Immunology, School of Basic Medical Sciences, Tianjin MedicalUniversity, Tianjin 300070, China.
2Departmentof Pharmacology and Tianjin Key Laboratory of Inflammation Biology, School ofBasic Medical Sciences, Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China; TheProvince and Ministry Co-sponsored Collaborative Innovation Center for MedicalEpigenetics, Department of Pharmacology, School of Basic Medical Sciences,Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China. Electronic address:twang1@tmu.edu.cn.
3KeyLaboratory of Immune Microenvironment and Disease (Ministry of Education),Department of Immunology, School of Basic Medical Sciences, Tianjin MedicalUniversity, Tianjin 300070, China; Department of Pharmacology and Tianjin KeyLaboratory of Inflammation Biology, School of Basic Medical Sciences, TianjinMedical University, Tianjin 300070, China; The Province and MinistryCo-sponsored Collaborative Innovation Center for Medical Epigenetics,Department of Pharmacology, School of Basic Medical Sciences, Tianjin MedicalUniversity, Tianjin 300070, China. Electronic address: yuqiujing2018@tmu.edu.cn.
研究背景：
先天免疫是宿主抵御微生物感染的第一道重要防线。宿主细胞通过不同种类的模式识别受体(PRRs)识别病毒RNA和DNA，包括Toll样受体(TLRs)、维甲酸诱导基因I (RIG-I)样受体和双链DNA的胞质传感器，PRRs招募衔接蛋白。TBK1/IKKε磷酸化IRF3和核因子kB (NF-kB)以诱导它们的核易位和随后的I型干扰素(IFNs)(包括IFN-a和IFN-b)和炎性细胞因子的转录。当与干扰素受体结合时，I型干扰素激活JAK-STAT信号并促进干扰素刺激基因的表达，以对抗和预防病毒感染并协调适应性免疫。
丝氨酸是一种可以参与细胞增殖的非必需氨基酸。丝氨酸既可以从头合成，也可以从微环境中吸收。在从头合成过程中，糖酵解产生的3-PG最终可以通过一系列酶促反应转化为丝氨酸，其第一个关键步骤由磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH)催化。丝氨酸促进一碳代谢，这包括一个相互连接的代谢途径网络，促进核苷酸、腺苷甲硫氨酸、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸和谷胱甘肽生物合成的一碳单位的转移。
Highlights
1、病毒感染后，SGOC代谢酶下调
2、抑制原发性肝细胞生长因子和SG饥饿增强体内外抗病毒先天免疫
3、SG缺乏通过抑制SAM依赖性H3K27me3增加ATP6V0d2的表达
4、ATP6V0d2促进YAP溶酶体降解以提高干扰素-b的产量
研究现状
丝氨酸衍生的一碳单位代谢支持癌症和T细胞增殖的核苷酸合成。此外，丝氨酸通过谷胱甘肽合成或巨噬细胞中SAM介导的组蛋白甲基化来促进脂多糖介导的IL-1β的产生。然而，PHGDH介导的丝氨酸合成途径(SSP)或外源丝氨酸是否参与抗病毒先天免疫仍然很不清楚。
液泡型H+腺苷三磷酸酶(V-ATPase)是一种依赖ATP的质子泵，由水解ATP的外周V1结构域和转运质子的整合结构域组成。V-ATPase定位于多种细胞膜上，以酸化包括内体和溶酶体在内的细胞内隔室。V-ATPase或其亚单位ATP6V0d2与调节多种生物过程有关，包括蛋白质降解、促进甲型流感病毒融合或消除细菌感染。然而，V-ATPase在抗病毒免疫中的作用目前尚不清楚。
Hippo通路在器官大小控制和组织稳态中起着关键作用。当该途径被激活时，Lats1/2激酶磷酸化YAP/TAZ以将其保留在细胞质中进行泛素化和降解。否则，YAP/TAZ进入细胞核，与TEDD家族转录因子结合，诱导基因转录。最近的一项研究表明，在病毒感染时，YAP可以阻断IRF3的二聚化，并防止IRF3易位到细胞核中。同时，病毒激活的IKKε可以磷酸化YAP以促进其溶酶体降解，并减轻YAP介导的对IFN-b产生的抑制。血清饥饿可通过Lats1/2激酶使YAP/TAZ失活，从而减弱YAP介导的TBK1抑制并增强抗病毒IFN-γ应答。然而，仍不清楚特定的代谢途径是否能与Hippo-YAP途径沟通以调节抗病毒先天免疫。
解决的科学问题
这篇文章报道了丝氨酸代谢影响抗病毒先天免疫。本文的研究不仅阐明了以前未知的PHGDH/丝氨酸在控制抗病毒信号通路中发挥关键作用的机制，而且提出操纵丝氨酸代谢是一种潜在的抗病毒治疗。
研究策略
首先，表明病毒感染后，小鼠巨噬细胞和HEK293T细胞中的从头丝氨酸生物合成途径显著下调。通过基因操作或用抑制剂CBR-5884处理，靶向SSP中的关键酶PHGDH的活性，在体外和体内强有力地增强IFN-b介导的抗病毒先天免疫。此外，外源丝氨酸和甘氨酸限制也通过在体外和体内增加IFN-β来减轻病毒感染。从机理上来说，他们发现抑制内源性和外源性丝氨酸代谢都可以通过降低SAM介导的H3K27me3来促进ATP6V0d2的表达。ATP6V0d2靶向YAP进行溶酶体降解，以减弱YAP介导的对TBK1-IRF3轴的抑制，并增强IFN-β介导的抗病毒先天免疫。
研究结论
宿主细胞通过先天免疫激活共同调节其代谢，以对抗病毒感染。沈等揭示了丝氨酸代谢在阻断抗病毒先天免疫中关键作用，并表明丝氨酸代谢缺陷可降低SAM介导的H3K27me3，促进ATP6V0d2表达，从而增强YAP溶酶体降解和病毒诱导的IFN-β产生。具体机制见下面的机制图。
机制图（graphic abstract)）
研究结果
1、PHGDH通过抑制TBK1-IRF3轴负调控IFN-β信号
图1. PHGDH通过抑制TBK1-IRF3轴负调控IFN-β信号
2、丝氨酸代谢拮抗病毒诱导的IFN-β产生
图2. 丝氨酸代谢拮抗IFN-β介导的细胞抗病毒活性
3、丝氨酸代谢缺乏症保护小鼠免受病毒感染
图3. 抑制丝氨酸代谢保护小鼠免受病毒感染
4、来自丝氨酸代谢的SAM损害了IFN-β的产生
图4. 来源于丝氨酸代谢的SAM会损害IFN-β的产生
5、PHGDH通过增加SAM依赖性H3K27me3在启动子上的占据来降低ATP6V0d2的表达
图5. PHGDH通过增加SAM依赖性H3K27me3在启动子上的占据来降低ATP6V0d2的表达
6、PHGDH通过下调ATP6V0d2部分抑制IFN-β的产生
图6. PHGDH通过下调ATP6V0d2部分抑制IFN-β的产生
7、ATP6V0d2通过促进病毒感染时的溶酶体降解诱导IFN-β的产生
图7. ATP6V0d2通过促进病毒感染时的溶酶体降解诱导IFN-β的产生
讨论
本文研究发现，丝氨酸代谢通过抑制TBK1IRF3轴的激活来拮抗IFN-β介导的抗病毒先天免疫。病毒感染后，丝氨酸的从头生物合成在各种细胞类型中显著下调。关键丝氨酸合成酶Phgdh的缺失或敲除显著增强了RNA和DNA病毒诱导的IFN-β在体外和体内的产生。通过药物PHGDH抑制剂治疗或外源性丝氨酸剥夺来干扰丝氨酸代谢，可显著增强体内外IFN-β介导的抗病毒免疫。这些结果揭示了丝氨酸代谢在抗病毒先天免疫反应中的关键作用。
在机制的研究中，也揭示了来源于SSP或外源丝氨酸的SAM在IFN-b产生中的抑制作用。与以前的研究一致，代谢通量分析表明，除了提供一碳单位外，过磷酸钙在协调有效的一碳通量方面具有调节作用。外源丝氨酸的加入可以部分逆转PHGDH缺陷细胞中IFN-b产生表型的促进作用，表明SSP阻断并没有完全关闭一碳通量，这一结论得到了PHGDH缺陷和丝氨酸缺失的协同作用的支持，以促进病毒诱导的IFN-β。
此外，进一步研究表明，病毒感染和丝氨酸代谢缺陷抑制SAM介导的H3K27me3，以提高ATP6V0d2的表达。并研究发现在RNA和DNA病毒感染时，ATP6V0d2缺乏会降低IFN-β的产生，从而增加体外和体内的病毒载量。通过进一步的机制研究，提出了一个重要的分子机制，ATP6V0d2通过促进YAP溶酶体降解来增强抗病毒信号通路。与先前的研究一致的是，在病毒感染时，ATP6V0d2表达显著上调，并且YAP经历依赖于ATP6V0d2活性的溶酶体降解。此外，丝氨酸代谢限制可通过抑制SAM-H3K27me3轴以增强ATP6V0d2表达和YAP溶酶体降解来促进TBK1-IRF3激活和IFN-β介导的抗病毒先天免疫。而且YAP可以阻断病毒诱导的TBK1激活和随后的IRF3磷酸化。
综上所述，本文的研究，揭示了代谢基因PHGDH和关键免疫代谢物丝氨酸拮抗抗病毒活性的未知功能，并指出在病毒感染的临床治疗中可能的翻译应用。
研究的局限性
在这项研究中，通过外源丝氨酸限制或抑制从头丝氨酸合成来抑制丝氨酸代谢，可以通过减少SAM介导的H3K27me3在启动子区的富集来增强ATP6V0d2的转录。PHGDH介导的SSP具有这种效应的确切原因，即使在存在胞外丝氨酸的情况下，仍有待充分探索。不能排除局部定位的PHGDH和局部产生的丝氨酸和SAM对启动子区H3K27me3丰度的影响。本文的研究还表明，丝氨酸代谢通过阻止ATP6V0d2介导的YAP溶酶体降解来拮抗抗病毒先天免疫。然而，这不能排除其他可能受丝氨酸-苏氨酸激酶27me3轴调节的V-ATPase亚单位的作用。