宿主細(xì)胞的代謝重編程在病毒感染過程中起著至關(guān)重要的作用。衣康酸是三羧酸循環(huán)( TCA )中的代謝產(chǎn)物，由免疫應(yīng)答基因1(IRG1)編碼的烏頭酸脫羧酶(ACOD1)使順烏頭酸脫羧產(chǎn)生，參與調(diào)節(jié)先天免疫反應(yīng)和病原體感染。然而，其在病毒感染中的作用及其機(jī)制尚不完全清楚。
2024年12月27日，海軍軍醫(yī)大學(xué)免疫與炎癥全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于益芝教授、徐勝教授、鄒最教授團(tuán)隊(duì)在Signal Transduction and Targeted Therapy（IF 40.8）上發(fā)表研究論文“Itaconate facilitates viral infection via alkylating GDI2 and retaining Rab GTPase on the membrane”。研究揭示了中性粒細(xì)胞來源的衣康酸通過Rab GTP酶的重新分配促進(jìn)病毒感染，可能是抗病毒治療的潛在靶點(diǎn)。
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基因信息：GDI2，GDP解離抑制因子β
病毒產(chǎn)品：AAV-GDI2-shRNA，AAV-scrambled-shRNA
注射方式：氣管內(nèi)注射
注射劑量：50μL，1×1013vp/mL
WB結(jié)果表明AAV-GDI2-shRNA敲低了GDI2表達(dá)
研究結(jié)果
1、IRG1通過衣康酸促進(jìn)VSV和IAV感染
首先，作者研究了病毒感染后的代謝變化，發(fā)現(xiàn)衣康酸是肺臟中被病毒誘導(dǎo)產(chǎn)生的主要代謝產(chǎn)物，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)衣康酸及其衍生物OI可以促進(jìn)VSV和IAV的感染，并且獨(dú)立于IFN-I信號(hào)傳導(dǎo)。作者研究了內(nèi)源性衣康酸合成酶IRG1對(duì)病毒感染的影響，病毒感染后，Irg1在代謝基因中明顯上調(diào)，病毒感染誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞中IRG1的顯著表達(dá)和衣康酸的產(chǎn)生。功能上，Irg1缺陷減輕了VSV和IAV感染，導(dǎo)致IFN-I產(chǎn)生減少，ISGs表達(dá)減少，以及TBK1-IRF3信號(hào)通路激活。Irg1沉默仍然阻礙了Irf3-/-巨噬細(xì)胞中的VSV感染，以上表明內(nèi)源性IRG1通過獨(dú)立于IFN-I的方式提高了巨噬細(xì)胞對(duì)VSV和IAV感染的易感性。利用OI治療IRG1-/-巨噬細(xì)胞，在Irg1-/-巨噬細(xì)胞中補(bǔ)充OI大大增強(qiáng)了VSV感染，并挽救了由Irg1缺乏引起的受損病毒感染，即使在IFN-I缺乏的情況下也是如此，表明IRG1通過衣康酸并且獨(dú)立于IFN-I促進(jìn)病毒感染。
圖1.IRG1以不依賴IFN-I途徑促進(jìn)VSV和IAV感染
2、衣康酸促進(jìn)Rab GTP酶的膜定位
接下來，作者研究了衣康酸促進(jìn)VSV和IAV感染的潛在機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)OI促進(jìn)VSV感染不是通過調(diào)節(jié)抗氧化反應(yīng)或葡萄糖代謝來介導(dǎo)的，而類異戊二烯尤其是GGPP，可能與OI對(duì)病毒感染的影響有關(guān)。作者研究了OI是否影響GGPP催化酶GGTase-I和GGTase-II經(jīng)典靶蛋白的亞細(xì)胞定位，發(fā)現(xiàn)OI對(duì)GGTase-I靶蛋白的分布沒有影響，但顯著增加了GGTase-II的經(jīng)典靶點(diǎn)Rabs的膜定位。Rab5和Rab7分別定位于早期內(nèi)體和晚期內(nèi)體，在OI處理后表現(xiàn)出更大的內(nèi)體膜定位傾向。此外，OI對(duì)Rabs分布的調(diào)節(jié)作用可由GGTase-II抑制劑3-PEHPC或辛伐他汀阻斷GGPP產(chǎn)生而消除；3-PEHPC消除了OI對(duì)VSV和IAV感染的促進(jìn)作用，衣康酸處理后也得到類似的結(jié)果。以上數(shù)據(jù)表明OI增強(qiáng)了Rabs在膜上的亞細(xì)胞分布，而GGTase II介導(dǎo)的香葉基香葉基化是調(diào)節(jié)Rabs定位和增強(qiáng)OI病毒感染所必需的。作者繼續(xù)探究了IRG1衣康酸軸影響病毒感染的具體生命階段，發(fā)現(xiàn)IRG1衣康酸軸促進(jìn)病毒進(jìn)入和進(jìn)入后過程。
圖2. OI誘導(dǎo)Rab GTP酶重新分布以增強(qiáng)病毒感染
3、GDI2的衣康酰化阻礙了Rab GTP酶從膜上的提取
Rabs在膜和細(xì)胞質(zhì)之間穿梭，受到各種蛋白質(zhì)的嚴(yán)格調(diào)控。Rab-GDP解離抑制劑（GDI1和GDI2）與Rabs非活性形式上的香葉基香葉基化基團(tuán)結(jié)合，并將其從膜中提取出來，使其可用于另一輪膜遞送，GDIs的功能障礙導(dǎo)致Rabs滯留在膜內(nèi)。為了確定OI誘導(dǎo)的病毒過度生長(zhǎng)是否依賴于GDI，作者分別沉默了GDI1和GDI2。值得注意的是，沉默GDI2而不是GDI1可以消除OI引起的VSV和IAV感染的促進(jìn)作用。OI抑制GDI2介導(dǎo)的Rabs從膜中提取，導(dǎo)致Rabs在膜上的分布增強(qiáng)，促進(jìn)病毒感染。GDI2是衣康酰化的直接靶點(diǎn)，添加衣康酸會(huì)導(dǎo)致GDI2上C203/335/414殘基的衣康酰化，從而破壞GDI2和Rabs之間的相互作用，增加Rabs的膜分布，最終促進(jìn)病毒過度生長(zhǎng)。最后，用含有GDI2 shRNA的AAV對(duì)小鼠進(jìn)行鼻內(nèi)給藥，以建立GDI2敲低模型。敲低GDI2促進(jìn)了肺組織中的病毒感染，同時(shí)也消除了OI治療引起的VSV和IAV感染的促進(jìn)作用。這些發(fā)現(xiàn)表明，GDI2抑制VSV和IAV感染，而OI通過在體內(nèi)修飾GDI2促進(jìn)病毒感染。
圖3. OI抑制通過GDI2烷基化從膜中提取Rabs
4、中性粒細(xì)胞中的IRG1衣康酸軸調(diào)控體內(nèi)病毒感染
病毒感染誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞IRG1衣康酸軸的強(qiáng)烈激活，鑒于IRG1在病毒感染期間主要在中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中表達(dá)，CD45-非免疫細(xì)胞IRG1表達(dá)最低，作者接下來研究了IRG1-衣康酸軸是否通過免疫細(xì)胞產(chǎn)生IRG1免疫譜系缺陷小鼠來調(diào)節(jié)體內(nèi)病毒感染。結(jié)果表明免疫細(xì)胞中的IRG1衣康酸軸增強(qiáng)了體內(nèi)病毒感染，并誘導(dǎo)了更強(qiáng)的免疫反應(yīng)。為了進(jìn)一步確定中性粒細(xì)胞來源的衣康酸的作用，作者在Irg1+/+和Irg1-/-小鼠中用抗Ly6G抗體耗竭中性粒細(xì)胞。與同窩對(duì)照組相比，Irg1-/-小鼠在感染后病毒載量顯著降低，同時(shí)細(xì)胞因子產(chǎn)生和病理損傷減少。然而，中性粒細(xì)胞的耗竭消除了Irg1+/+和Irg1-/-小鼠之間的差異。因此，中性粒細(xì)胞在IRG1衣康酸軸對(duì)病毒感染的影響中起著主要作用。
圖4.中性粒細(xì)胞衍生的衣康鹽促進(jìn)VSV和IAV感染
小結(jié)
綜上，本研究發(fā)現(xiàn)來自中性粒細(xì)胞的衣康酸鹽通過直接烷基化GDI2并將Rab GTP酶保留在膜內(nèi)來促進(jìn)病毒感染。這一發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)了對(duì)病毒感染中IRG1衣康酸軸的理解，并強(qiáng)調(diào)了IRG1是某些病毒感染的潛在治療靶點(diǎn)。