专家点评NCB丨叶丹团队揭示免疫代谢物衣康酸特异性抑制TET双加氧酶

点评 | 徐国良（中国科学院院士）

责编 | 兮

衣康酸 （Itaconate, ITA ） 是近年来在巨噬细胞中发现的具有显著抗炎活性的小分子代谢物 【1】 。在细菌内毒素脂多糖 (LPS) 刺激下，巨噬细胞发生代谢重编程。线粒体代谢酶IRG1蛋白迅速被诱导表达，催化顺乌头酸脱羧和产生毫摩尔级别高浓度的ITA 【2】 。Irg1基因敲除小鼠的遗传研究表明，ITA抑制炎症反应基因表达和发挥抗炎作用 【3,4】 。之前的研究表明，ITA能抑制琥珀酸脱氢酶 (SDH) 活性，使得琥珀酸 （Succinate） 积累和影响三羧酸循环 【5】 ；衣康酸具有一个α,β不饱和羧酸的结构，可通过迈克尔加成反应共价修饰到蛋白质的半胱氨酸残基上，影响KEAP1蛋白激活和KEAP1-NRF2通路 【6】 ，还影响ALODA和GAPDH等活性和抑制糖酵解 【7】 。然而，这些研究并未阐明ITA如何实现对众多炎症基因的转录调控。该调控是否与表观遗传修饰相关，其功能靶点是什么？都是亟待探索的科学问题。

2022年3月7日，复旦大学生物医学研究院叶丹课题组在Nature Cell Biology杂志上以长文形式发表了题为 Itaconate Inhibits TET DNA Dioxygenases to Dampen Inflammatory Responses 的研究论文。 首次报道ITA是新的调控表观遗传的代谢物分子。发现ITA通过与α-酮戊二酸（α-KG）竞争结合的方式，抑制DNA双加氧酶TET和调控炎症基因表达，并证实TET2是衣康酸抗炎的重要功能靶标。

α-KG被报道与TET2蛋白催化中心H1416、R1896和S1898形成氢键和离子键，并且通过其C-1羧基和C-2酮基与Fe(II)以双齿方式结合【8】。与α-KG类似，ITA也是含五个碳原子的二羧酸，尽管拥有C-1位羧基，但其C-2位上的酮基结构被烯烃所替代和无法与Fe(II) 以双齿方式结合，预示着ITA有可能与α-KG竞争结合TET2蛋白催化中心 （图1） 。体外的核磁共振和生化实验结果证实，ITA与α-KG类似地结合TET2蛋白，其抑制TET2活性IC₅₀为171µM。

图1. 衣康酸能够结合TET2蛋白催化中心

在巨噬细胞被LPS （细菌脂多糖，Lipopolysaccharide） 激活过程中，Irg1 被诱导表达和ITA浓度可高达3-4mM，抑制Tet酶活和RelA-Tet2复合物的DNA去甲基化功能，避免NF-κB和JAK-STATs通路中炎症基因的持续激活。转录组分析表明，～72.5％的LPS诱导炎症基因被Irg1/ITA-Tet2轴调控。在内毒素血症的动物模型中，外源ITA能抑制细胞因子风暴、缓解小鼠肝肺损伤和延长生存期，该保护作用仅发生在野生型小鼠，而在携带Tet2^HXD失活突变体的小鼠中并不存在，有力证明了TET2是衣康酸抗炎的重要功能靶标 （图2） 。

图2. 衣康酸特异性抑制TET双加氧酶和调控炎症基因表达

在前期研究中，叶丹及团队发现代谢酶突变导致内源代谢物高水平积累，如2-羟基戊二酸 （2-HG） 、延胡索酸 （Fumarate） 、琥珀酸 （Succinate）（Genes Dev. 2012; Mol Cell. 2015） ，三者均能竞争性结合并抑制α-KG/Fe(II)依赖型双加氧酶，包括组蛋白去甲基化酶KDM和DNA去甲基化酶TET等。与上述致癌代谢物在肿瘤细胞中积累不同，衣康酸是巨噬细胞 （非肿瘤） 中由正常代谢酶催化的产物。 衣康酸比已知致癌代谢物对表观修饰酶TET的抑制性和选择性都更强，将为TET特异性抑制剂研发和相关基础研究提供新思路。

复旦大学生物医学研究院青年副研究员陈磊蕾博士、博士后Carmen Morcelle （西班牙籍） 以及程舟礼，为本文共同第一作者。叶丹研究员为通讯作者。该工作得到了北卡罗来纳大学熊跃教授和加州大学圣地亚哥分校管坤良教授的支持，还有浙江大学沈立教授、上海交通大学段才闻研究员、同济大学陈嘉瑜教授、复旦大学生物医学研究院蓝斐研究员、周玉峰研究员以及钱茂祥研究员等的合作支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41556-022-00853-8

专家点评

徐国良（中国科学院院士）

TET双加氧酶在调控生长发育方面起到必不可少的作用。TET酶将DNA中的甲基化胞嘧啶 （5mC） 氧化为5-羟甲基胞嘧啶 （5hmC） ，5-醛基胞嘧啶 （5fC） 和5-羧基胞嘧啶 （5caC） ，介导DNA主动去甲基化而调节基因表达。

TET蛋白是依赖α-酮戊二酸 （α-KG） 、铁离子与氧气的双加氧酶。以往研究发现在多种肿瘤细胞中，结构与α-KG相似的代谢物2-HG、Fumarate和Succinate发生病理性累积，会竞争性抑制以α-KG为底物的双加氧酶，包括TET。叶丹团队在最新研究中发现，由线粒体代谢酶ACOD1产生的衣康酸 （Itaconate, ITA） 能够非共价结合TET蛋白催化中心，并通过与α-KG竞争性结合的方式抑制TET酶活。在LPS激活的巨噬细胞中，ACOD1被诱导表达后逐渐累积ITA，其胞内最高浓度达到3-4 mM，致使TET （主要是TET2） 介导的DNA去甲基化过程被抑制。这样受TET2调控的炎症基因甲基化水平升高和表达下调，这对NF-κB等通路持续激活和细胞因子风暴起到“刹车”作用。这一研究告诉我们巨噬细胞激活后如何利用代谢物小分子调节TET活性，在炎症缓解期避免炎症基因的持续性激活，即炎症反应如何发生消退，从而保障细胞和机体功能稳态。

生物体包含数十万种小分子，可以想象一定还存在大量的调控生理与病理过程的小分子未被发现。是否存在其它直接调控TET等DNA修饰酶的小分子？是否存在未知的来自饮食以及机体代谢的小分子直接参与表观遗传调控？这些问题都值得进一步探索。

制版人：十一

参考文献

1. O'Neill, L.A.J. and M.N. Artyomov, Itaconate: the poster child of metabolic reprogramming in macrophage function. Nat Rev Immunol, 2019. 19(5): p. 273-281.

2. Michelucci, A., et al., Immune-responsive gene 1 protein links metabolism to immunity by catalyzing itaconic acid production. Proc Natl Acad Sci U S A, 2013. 110(19): p. 7820-5.

3. Nair, S., et al., Irg1 expression in myeloid cells prevents immunopathology during M. tuberculosis infection. J Exp Med, 2018. 215(4): p. 1035-1045.

4. Daniels, B.P., et al., The Nucleotide Sensor ZBP1 and Kinase RIPK3 Induce the Enzyme IRG1 to Promote an Antiviral Metabolic State in Neurons. Immunity, 2019. 50(1): p. 64-76 e4.

5. Lampropoulou, V., et al., Itaconate Links Inhibition of Succinate Dehydrogenase with Macrophage Metabolic Remodeling and Regulation of Inflammation. Cell Metab, 2016. 24(1): p. 158-66.

6. Mills, E.L., et al., Itaconate is an anti-inflammatory metabolite that activates Nrf2 via alkylation of KEAP1. Nature, 2018. 556(7699): p. 113-117.

7. Qin, W., et al., S-glycosylation-based cysteine profiling reveals regulation of glycolysis by itaconate. Nat Chem Biol, 2019. 15(10): p. 983-991.

8. Hu, L., et al.. Crystal structure of TET2-DNA complex: insight into TET-mediated 5mC oxidation. Cell. 2013. 155(7):1545-55.

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。