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空间限域RLRs：王鹏华团队发现UBXN9-GLUT4调控抗病毒免疫的全新机制

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-11-21 00:35

正文

在病毒感染的时候，机体细胞通过RIG-I样受体（RLRs，主要包括RIG-I和MDA5）感知病毒RNA并启动早期抗病毒免疫反应。在识别病毒RNA后，RIG-I和MDA5与线粒体抗病毒信号蛋白MAVS组装形成复合物并进一步招募激活IRF3和NF-κB从而强烈诱导I/III型干扰素和大量促炎基因的转录表达。然而，RLRs必须受到精准调控来区分病原和自身RNA，从而避免诸如I型糖尿病、Aicardi–Goutières综合征和皮肌炎等自身免疫性疾病发生。目前，机体对RLRs及其下游信号蛋白的主要调控机制是翻译后修饰（PTMs），哺乳动物体内是否存在其他对RLR及其上游的精准调控机制，仍不完全清楚。另一方面，模式识别受体（PRRs）的激活会导致葡萄糖内流（glucose influx）增加、糖酵解（glycolysis）增强、三羧酸（TCA）循环的破坏以及代谢物的积累。同样，RNA病毒感染也会促进代谢重编程，这些代谢物会通过MAVS反馈抑制RLR信号传导，这种细胞代谢的重构依赖于葡萄糖转运蛋白（GLUTs）。目前已发现先天免疫细胞上的Toll样受体（TLR）激活后，GLUT1可以促进细胞的糖酵解重编程【1】。然而，其他GLUTs在先天免疫中的作用却完全未知。GLUT4是脂肪组织、骨骼肌和心肌中主要的胰岛素/肌肉收缩调节的葡萄糖转运蛋白，对于维持全身葡萄糖稳态至关重要。在静息状态下，GLUT4主要被隔离在细胞内的GLUT4储存囊泡（GSVs）中，这些囊泡通过与高尔基体（Golgi）上的UBXN9（TUG）分子相互作用锚定在Golgi基质中【2】。胰岛素则通过特异性部位的内切蛋白酶切割UBXN9，从而释放GSVs，使其运输至质膜，从而使GLUT4在细胞膜上发挥葡萄糖转运作用【3】。令人感兴趣的是，GLUT4是否具有其他生物学功能，尤其是免疫相关的功能目前完全未知。

2024年11月20日，美国康涅狄格大学医学院王鹏华团队在Nature Immunology杂志在线发表了题为UBXN9 governs GLUT4-mediated spatial confinement of RIG-I-like receptors and signaling 的研究长文。该研究利用CRISPR-Cas9基因敲除、RNA病毒感染细胞和小鼠等多种体内外模型，发现了UBXN9-GLUT4轴在调控RLR信号转导和抗病毒免疫反应中的全新作用，这一作用不依赖于GLUT4作为葡萄糖转运体的经典功能。与当前认为GLUTs支持PRRs激活响应的观点相反，该研究发现GLUT4通过空间拖拽并将RLRs限域于细胞膜，从而显著减弱抗病毒免疫反应；并进一步揭示UBXN9通过将GLUT4锚定在Golgi基质来调控这一过程，从而维持正常的RLR信号转导。重要的是，这一机制可能在自身免疫性疾病中起作用，研究者在自身炎性皮肌病患者中观察到了相一致的结果。

研究人员首先在高表达GLUT4的原代、传代肌细胞和小鼠实验中发现，敲除UBXN9会明显减弱由RIG-I和MDA5及其下游信号分子TBK1和IRF3介导的抗病毒免疫反应。而在不表达GLUT4的骨髓来源巨噬细胞和A549肺上皮细胞中，UBXN9的缺失并不影响这一抗病毒免疫反应过程，因此可见UBXN9特异性调控典型表达GLUT4的骨骼肌的RLR信号通路激活。肌肉特异性的RNA病毒（Encephalomyocarditis virus，EMCV和O’nyong-nyong virus，ONNV）感染模型实验也进一步验证了这一结果；Ubxn9-/-小鼠对致死量EMCV感染更敏感，显示出更高的死亡率，伴随心脏和循环中高病毒载量和低血清干扰素（IFN-β）水平；同样，ONNV感染的Ubxn9-/-小鼠骨骼肌中可以检出比WT小鼠更高的病毒载量。这些结果表明UBXN9促进RLR识别不同的RNA病毒并激活抗病毒反应。

接下来，研究人员在肌细胞和hiPSCs诱导的心肌细胞中发现，敲除或敲减GLUT4（Slc2a4）均可以显著增加RIG-I和MDA5激活介导的抗病毒免疫反应，肌肉特异性敲除GLUT4小鼠实验也证明了这一结果，表明GLUT4抑制RLR信号并促进RNA病毒感染。

最近的研究表明乳酸可以影响MAVS寡聚激活并抑制RLR信号，但是，区别于研究人员一开始的推测UBXN9敲除对RLR信号激活的减轻作用是由于葡萄糖内流和升高的循环中乳酸水平导致的，尽管证实UBXN9是体内GLUT4的主要调控分子，但是研究人员发现GLUT4对RLR的调控与葡萄糖摄取和乳酸产生水平无关。进一步的实验提示RLR激活可以诱导GLUT4转位，同时UBXN9以GLUT4依赖的方式增强IFN-β产生。通过RLR-MAVS互作试验和MAVS寡聚试验，研究人员推测UBXN9-GLUT4作用于RLR信号通路的最上游，接下来，研究人员通过3T3-L1-myc-GLUT4-GFP脂肪细胞系发现，急性胰岛素刺激将GLUT4从核周区域快速转位至细胞膜后会显著抑制IFN-β产生，并且观察到胰岛素和3p-hpRNA (促进GLUT4转位至胞膜）显著增加细胞膜上的RIG-I分子，而Slc2a4-/-细胞的胞膜上几乎检测不到RIG-I的存在，提示RIG-I分子的膜转位依赖于GLUT4。在骨骼肌细胞中分离细胞膜、细胞浆和粗分线粒体组分以及VSV和EMCV感染实验进一步证实在病毒感染的过程中，GLUT4调控RIG-I的胞内重分布至细胞膜从而显著降低RLR抗病毒信号通路激活。分子克隆实验证实GLUT4通过膜内的C-terminal和loop6结构域与RLR的CARD结构域相结合并将RLR转位锚定至细胞膜上。

为了理解病毒感染期间GLUT4依赖性的RLR锚定是如何发生的，研究人员聚焦于PI3K-AKT、AMPK以及c-Cbl-TC10α介导的GLUT4转运路径中的保守上游节点，并发现病毒感染通过激活AKT/AMPK及c-Cbl信号通路进一步诱导UBXN9的剪切和GSVs囊泡的释放，释放的GSVs-GLUT4将RLRs转位锚定至细胞膜。最后，研究人员观察分析了一种临床上的自身免疫性疾病-皮肌炎中的RLR和GLUT4的表达和调控情况，这类疾病以骨骼肌炎症和衰弱、升高的促炎因子表达谱和RIG-I水平为特征，这些病人样板的转录组表达谱进一步证实低表达的GLUT4及其相关基因谱与升高的RLR水平及ISG表达谱之前的紧密关联。

总的来说，这项研究揭示了一种非典型的UBXN9-GLUT4轴介导空间限域作为控制RLR信号传导的主要策略，并揭示了GLUT4在调节先天免疫中的一种与葡萄糖无关的功能。创新对RLR抗病毒免疫的理解，为未来研究RLR空间调控深入细节以及RLR信号传导在代谢性和自身炎性疾病中的作用提供了新的思路。

康涅狄格大学医学院王鹏华教授为本文最后通讯作者，其实验室博士生Andrew G. Harrison为第一作者，博士后杨多猛为本文共同通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41590-024-02004-7

制版人：十一

参考文献

1. Freemerman, A. J. et al. Metabolic reprogramming of macrophages: glucose transporter 1 (GLUT1)-mediated glucose metabolism drives a proinflammatory phenotype. J. Biol. Chem. 289, 7884–7896 (2014).

2. Bogan, J. S., Hendon, N., McKee, A. E., Tsao, T. S. & Lodish, H. F. Functional cloning of TUG as a regulator of GLUT4 glucose transporter trafficking. Nature 425, 727–733 (2003).

3. Habtemichael, E. N. et al. Insulin-stimulated endoproteolytic TUG cleavage links energy expenditure with glucose uptake. Nat. Metab. 3, 378–393 (2021).

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