DOI: https://doi.org/10.1038/s41422-024-01060-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39757301
تاريخ النشر: 2025-01-06
المؤلف: Qihang Zhao وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث المنتجات النهائية المتقدمة للجليكاسيون
نظرة عامة
توضح هذه الفقرة من البحث دور الجلايوكسيلاز II (GLO2) في تنظيم المناعة والالتهاب، خاصة خلال تنشيط المناعة الفطرية. يظهر المؤلفون أن GLO2 يتم تقليله بواسطة إشارة NF-κB من خلال تحلل mRNA الذي يتوسطه تريستيترا بروتين (TTP)، مما يؤدي إلى تراكم ركيزته، S-D-lactoylglutathione (SLG)، في السيتوسول. يسهل هذا التراكم عملية غير إنزيمية حيث يحفز SLG D-lactylation للبروتينات، خاصة من خلال التفاعلات مع بقايا السيستين القريبة، مما يعزز تعديل الليسينات القريبة.
تحدد الدراسة 2,255 موقعًا لـ D-lactylation بشكل رئيسي في بروتينات السيتوسول للخلايا البالعة المنشطة، مع غنى ملحوظ في البروتينات المرتبطة بتنشيط المناعة ومسارات الالتهاب. على وجه الخصوص، يظهر أن D-lactylation عند الليسين 310 (K310) من RelA يخفف من الإشارات الالتهابية ونشاط NF-κB، مما يعزز التوازن المناعي. يكشف المؤلفون أيضًا أن التلاعب بتعبير GLO2 أو طفرات مواقع ارتباط TTP يمكن أن يؤثر بشكل كبير على الاستجابات الالتهابية في خلايا المناعة الفطرية. يرتبط عدم تنظيم محور GLO2/SLG/D-lactylation بحالات التهاب بشرية، مما يشير إلى أن استهداف GLO2 قد يقدم إمكانيات علاجية لإدارة الاضطرابات الالتهابية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التوازن الحرج المطلوب في الاستجابة المناعية لإدارة الالتهاب بشكل فعال مع منع الأضرار المفرطة التي يمكن أن تؤدي إلى حالات مثل الإنتان والمناعة الذاتية. تشير إلى أنه بينما تم تحديد آليات للالتهاب الذاتي المحدود على مستويات بيولوجية مختلفة، لا يزال دور المناعة الأيضية، وخاصة نظام الجلايوكسيلاز، غير مستكشف بشكل كاف. يتم التأكيد على أن إنزيم الجلايوكسيلاز II (GLO2) وركيزته، S-D-lactoylglutathione (SLG)، لهما آثار محتملة على تنشيط المناعة وتنظيم الالتهاب.
تشير النتائج الحديثة إلى أن الوسائط الأيضية يمكن أن تؤثر على الاستجابات المناعية من خلال وظائف غير تقليدية، مع التركيز على المستقلبات الميتوكوندرية مثل الإيتاكونيت والفومارات. ومع ذلك، فإن دور المستقلبات السيتوسولية في تعديل الإشارات الالتهابية أقل فهمًا. تقدم المقدمة مفهوم D-lactylation، وخاصة D-lactylation التي يحفزها SLG في خلايا المناعة الفطرية، والتي تعمل كآلية تنظيمية للحد من الالتهاب. ترتبط هذه العملية، التي تتميز بتفاعل غير إنزيمي يشمل D-lactylation للسيستين والنقل اللاحق إلى الليسين، بتقليل GLO2 خلال الالتهاب. تفترض الدراسة أن محور GLO2/SLG/D-lactylation يلعب دورًا حاسمًا في تقييد الاستجابات الالتهابية، مع ارتباط عدم التنظيم بحالات التهاب شديدة ونتائج سيئة للمرضى.
طرق
توضح فقرة “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. تتفصل في المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي كواشف، معدات، وعينات بيولوجية، لضمان تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات المتبعة لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم تطبيقها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، تصف الفقرة إعداد التجربة، بما في ذلك ظروف التحكم والمتغيرات التي تم التلاعب بها خلال الدراسة. تؤكد على أهمية هذه الطرق في تحقيق نتائج موثوقة وصحيحة، والتي تعتبر حاسمة للتحليل والنقاش اللاحق للنتائج. بشكل عام، تعمل هذه الفقرة كدليل شامل للتقنيات والعمليات التي تدعم البحث، مما يسهل الفهم والتكرار من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
نتائج
تكشف نتائج هذه الدراسة عن تقليل كبير في إنزيم الجلايوكسيلاز GLO2 في خلايا المناعة المنشطة، وخاصة في البالعات، بعد التحفيز بواسطة مسببات الأمراض الفيروسية أو البكتيرية. تم تأكيد هذا الانخفاض في مستويات GLO2 على كلا المستويين من mRNA والبروتين، وعُزِيَ بشكل رئيسي إلى انخفاض الشكل المتواجد في السيتوسول. أظهرت بيانات تسلسل RNA على مستوى الخلية الواحدة أن تعبير GLO2 كان منخفضًا باستمرار عبر أنواع مختلفة من خلايا المناعة، مع ملاحظات واضحة في المونوسيتات/البالعات والخلايا الشجرية. من الجدير بالذكر أن مستويات GLO2 كانت مرتبطة عكسيًا بشدة الحالات الالتهابية، كما يتضح من مستويات GLO2 الأعلى في الكريات البيضاء من مرضى COVID-19 الشديدين مقارنةً بأولئك الذين يعانون من أعراض أخف.
أظهر التحقيق الإضافي في الآليات الجزيئية الكامنة وراء تقليل GLO2 أن مسار إشارة العامل النووي كابا B (NF-κB) هو منظم رئيسي. أظهرت الدراسة أن محفزات PRR والسيتوكينات الالتهابية تنشط NF-κB، الذي بدوره يحفز التعبير عن تريستيترا بروتين (TTP)، وهو بروتين يرتبط بـ ARE يسهل تحلل mRNA لـ GLO2. أظهرت التجارب أن TTP يرتبط بعناصر غنية بـ AU محددة في 3′ UTR من mRNA لـ GLO2، مما يؤدي إلى تحلله عند تنشيط المناعة. تم تأكيد هذا التفاعل من خلال تجارب مختلفة، بما في ذلك سحب RNA والترسيب المناعي، مما يبرز دور TTP في الوساطة لتقليل GLO2 استجابةً لمحفزات المناعة. بشكل عام، تشير هذه النتائج إلى أن GLO2 يلعب دورًا حاسمًا في الحفاظ على التوازن المناعي، حيث أن تقليله هو استجابة شائعة لتنشيط المناعة قد تساهم في تنظيم الاستجابات الالتهابية.
نقاش
في هذه الدراسة، يستكشف المؤلفون دور إنزيم الجلايوكسيلاز GLO2 في تنشيط خلايا المناعة وآثاره الأيضية. يجدون أن انخفاض مستويات GLO2 يؤدي إلى تراكم S-lactoylglutathione (SLG) في خلايا المناعة المنشطة، وخاصة البالعات. يحدث هذا التراكم بسبب انخفاض نشاط GLO2 الهيدروليزي، بينما يبقى نشاط GLO1 مستقرًا، مما يؤدي إلى تقليل إنتاج D-lactate. يظهر المؤلفون أن SLG يمكن أن يحفز D-lactylation للبروتينات بطريقة مستقلة عن الإنزيم، تؤثر بشكل أساسي على بقايا الليسين المجاورة لبقايا السيستين، التي تعمل كنيوكليوفيلات لنقل مجموعة اللاتيل. تم إظهار أن هذا التعديل يعزز مستويات D-lactylation للبروتينات في خلايا المناعة المنشطة، مما يساهم في آلية تغذية راجعة تخفف من الإشارات الالتهابية.
علاوة على ذلك، تكشف الدراسة أن GLO2 يعمل كمنظم سلبي لتنشيط المناعة، حيث يؤدي تقليله خلال الالتهاب إلى زيادة D-lactylation للوسائط المناعية الرئيسية، مثل RelA، مما يثبط بدوره إشارة NF-κB. يؤكد المؤلفون هذه النتائج من خلال مجموعة متنوعة من الأساليب التجريبية، بما في ذلك التثبيط الدوائي لـ GLO1 وGLO2، والتلاعب الجيني لـ GLO2 في نماذج الفئران. يستنتجون أن محور التغذية الراجعة لـ GLO2 ضروري لتعديل الاستجابات المناعية والالتهاب، وأن استهداف GLO2 باستخدام مثبطات الجزيئات الصغيرة مثل DiFMOC-G قد يقدم إمكانيات علاجية في علاج الأمراض الالتهابية والمناعية الذاتية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41422-024-01060-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39757301
Publication Date: 2025-01-06
Author(s): Qihang Zhao et al.
Primary Topic: Advanced Glycation End Products research
Overview
This research paper section elucidates the role of glyoxalase II (GLO2) in the regulation of immunity and inflammation, particularly during innate immune activation. The authors demonstrate that GLO2 is downregulated by NF-κB signaling through tristetraprolin (TTP)-mediated mRNA decay, leading to the accumulation of its substrate, S-D-lactoylglutathione (SLG), in the cytosol. This accumulation facilitates a nonenzymatic process where SLG induces D-lactylation of proteins, particularly through interactions with nearby cysteine residues, which enhance the modification of proximal lysines.
The study identifies 2,255 lactylation sites predominantly in cytosolic proteins of activated macrophages, with a notable enrichment in proteins associated with immune activation and inflammatory pathways. Specifically, D-lactylation at lysine 310 (K310) of RelA is shown to dampen inflammatory signaling and NF-κB activity, thereby promoting immune homeostasis. The authors further reveal that manipulation of GLO2 expression or TTP-binding site mutations can significantly influence inflammatory responses in innate immune cells. Dysregulation of the GLO2/SLG/D-lactylation axis is linked to human inflammatory conditions, suggesting that targeting GLO2 may offer therapeutic potential for managing inflammatory disorders.
Introduction
The introduction highlights the critical balance required in the immune response to effectively manage inflammation while preventing excessive damage that can lead to conditions such as sepsis and autoimmunity. It notes that while mechanisms for self-limiting inflammation have been identified at various biological levels, the role of immunometabolism, particularly the glyoxalase system, remains underexplored. The glyoxalase II (GLO2) enzyme and its substrate, S-D-lactoylglutathione (SLG), are emphasized as having potential implications for immune activation and inflammation regulation.
Recent findings suggest that metabolic intermediates can influence immune responses through non-canonical functions, with a focus on mitochondrial metabolites like itaconate and fumarate. However, the role of cytosolic metabolites in modulating inflammatory signaling is less understood. The introduction introduces the concept of lactylation, particularly D-lactylation induced by SLG in innate immune cells, which serves as a regulatory mechanism to limit inflammation. This process, characterized by a nonenzymatic reaction involving lactylation of cysteine and subsequent transfer to lysine, is linked to the downregulation of GLO2 during inflammation. The study posits that the GLO2/SLG/D-lactylation axis plays a crucial role in constraining inflammatory responses, with dysregulation associated with severe inflammatory conditions and poor patient outcomes.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols followed for data collection, including any statistical analyses applied to interpret the results.
Additionally, the section describes the experimental setup, including control conditions and the variables manipulated during the study. It emphasizes the importance of these methods in achieving reliable and valid results, which are critical for the subsequent analysis and discussion of findings. Overall, this section serves as a comprehensive guide to the techniques and processes that underpin the research, facilitating understanding and replication by other scholars in the field.
Results
The results of this study reveal a significant downregulation of glyoxalase enzyme GLO2 in activated immune cells, particularly in macrophages, following stimulation by viral or bacterial pathogens. This decrease in GLO2 levels was confirmed at both mRNA and protein levels and was predominantly attributed to the decline of its cytosolic isoform. Single-cell RNA sequencing data indicated that GLO2 expression was consistently reduced across various immune cell types, with the most pronounced reductions observed in monocytes/macrophages and dendritic cells. Notably, GLO2 levels were found to be inversely correlated with the severity of inflammatory conditions, as evidenced by higher GLO2 levels in leukocytes from severe COVID-19 patients compared to those with milder symptoms.
Further investigation into the molecular mechanisms underlying GLO2 downregulation identified the nuclear factor-kappa B (NF-κB) signaling pathway as a key regulator. The study demonstrated that PRR stimuli and inflammatory cytokines activate NF-κB, which in turn induces the expression of tristetraprolin (TTP), an ARE-binding protein that facilitates the decay of GLO2 mRNA. Experiments showed that TTP binds to specific AU-rich elements in the 3′ UTR of GLO2 mRNA, leading to its degradation upon immune activation. This interaction was confirmed through various assays, including RNA pulldown and immunoprecipitation, highlighting TTP’s role in mediating the downregulation of GLO2 in response to immune stimuli. Overall, these findings suggest that GLO2 plays a critical role in maintaining immune homeostasis, with its downregulation being a common response to immune activation that may contribute to the regulation of inflammatory responses.
Discussion
In this study, the authors investigate the role of the glyoxalase enzyme GLO2 in immune cell activation and its metabolic implications. They find that reduced GLO2 levels lead to the accumulation of S-lactoylglutathione (SLG) in activated immune cells, particularly macrophages. This accumulation occurs due to decreased GLO2 hydrolase activity, while GLO1 activity remains stable, resulting in diminished production of D-lactate. The authors demonstrate that SLG can induce D-lactylation of proteins in an enzyme-independent manner, primarily affecting lysine residues adjacent to cysteine residues, which serve as nucleophiles for lactyl group transfer. This modification is shown to enhance protein lactylation levels in activated immune cells, contributing to a feedback mechanism that attenuates inflammatory signaling.
Furthermore, the study reveals that GLO2 acts as a negative regulator of immune activation, with its downregulation during inflammation leading to increased lactylation of key immune mediators, such as RelA, which in turn suppresses NF-κB signaling. The authors validate these findings through various experimental approaches, including pharmacological inhibition of GLO1 and GLO2, and genetic manipulation of GLO2 in mouse models. They conclude that the GLO2 feedback axis is crucial for modulating immune responses and inflammation, and that targeting GLO2 with small-molecule inhibitors like DiFMOC-G may offer therapeutic potential in treating inflammatory and autoimmune diseases.