内皮TPI1的多巴胺化抑制铁死亡血管激变信号以促进肺再生而非纤维化

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TPI1多巴胺修饰抑制血管内皮细胞铁死亡信号促进肺再生抑制纤维化

背景介绍

肺部的再生能力使其在受伤后能够恢复原有的功能组织。然而，如果这种再生过程受到干扰，往往会导致不适应的修复和纤维化。尽管如此，关于细胞间异常交流如何在肺纤维化中牺牲再生功能的研究仍然有限。血管内皮细胞（endothelial cells，简称ECs）作为位于系统循环与上皮细胞和间充质细胞之间的细胞结构，在肺的生长过程中发挥关键的代谢支持和血液流动作用。此外，内皮细胞还提供旁分泌／血管内分泌因子，与邻近的上皮细胞和间充质细胞进行交流。然而，尚不清楚内皮细胞如何整合系统性信号来快速开启一种促再生的血管内分泌程序以引发肺再生。

研究目的

本研究揭示了多巴胺这种神经递质通过修饰内皮细胞的酶三磷酸异构酶1（Triosephosphate isomerase1，简称TPI1）来抑制铁死亡，从而促进肺再生而不是纤维化。该研究探讨了TPI1多巴胺修饰在内皮细胞中的作用机制以及如何通过提升葡萄糖代谢途径来实现这一功能。

论文来源

这项研究由Chunheng Mo, Hui Li, Mengli Yan等人完成，主要作者来自四川大学（Sichuan University）的多个实验室和哈尔滨医科大学（Harbin Medical University）。论文于2024年8月6日在《Cell Metabolism》期刊上发表。

研究细节

工作流程

  1. 单细胞RNA测序分析和Western Blot验证： 研究中首先使用左肺切除术（Pneumonectomy，简称PNX）的小鼠模型，通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）发现TGM2在肺内皮细胞中选择性上调。随后，Western Blot进一步确认了在PNX后的肺内皮细胞中TGM2蛋白的上调。
  2. 内皮细胞特异性TGM2敲除： 通过交叉TGM2-floxed小鼠和特异性表达Cre重组酶的小鼠，研究人员构建了内皮细胞特异性TGM2敲除小鼠（TGM2iDEC/iDEC），并发现其肺功能、体重和肺体积均在PNX后受损。此外，免疫染色和流式细胞术分析显示这类小鼠中的内皮细胞和2型肺泡上皮祖细胞（AEC2）增殖受阻，以及内皮细胞死亡增加。
  3. 基因组和蛋白组学分析： 通过比较敲除组和对照组的内皮细胞转录组，发现铁死亡相关路径在敲除TGM2的小鼠中显著富集。此外，TGM2依赖的单胺修饰在调控肺再生中的重要性通过敲除小鼠实验得到了证明。
  4. 化学蛋白质组分析： 使用合成的可点击多巴胺探针，结合点击化学反应和质谱分析，识别了内皮细胞中的多巴胺修饰目标蛋白，发现TPI1是主要的多巴胺修饰蛋白。
  5. TPI1多巴胺修饰的功能验证： 通过人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和敲除小鼠的实验，证实了TPI1多巴胺修饰对铁死亡的抑制作用。

主要结果

  1. TGM2依赖的单胺修饰对肺再生的影响： 研究发现，在TGM2缺失的小鼠中，通过恢复铁死亡抑制蛋白FSP1的表达，能够逆转其内皮细胞中的铁死亡，增强肺再生。
  2. TPI1多巴胺修饰机制： 实验结果表明，多巴胺通过TGM2酶的作用，将TPI1的65号谷氨酰胺（Q65）残基进行多巴胺修饰，从而将TPI1的功能从乙醚磷脂合成转向葡萄糖代谢，进而减少脂质过氧化，抑制铁死亡。
  3. TPI1多巴胺修饰促进肺再生： 在小鼠模型中，修复TPI1多巴胺修饰在内皮细胞中的表达，显著改善了肺功能的恢复，减少了纤维化组织的扩展。
  4. 铁死亡相互作用网络的解密： 使用集成分子动力学模拟，研究揭示了TPI1的Q65多巴胺修饰如何增强其与底物DHAP的接触，从而将其催化活动定向转化为GAP，增强葡萄糖代谢并减少脂质过氧化。

重要结论

  1. 科学价值： 本研究通过揭示多巴胺修饰在肺再生中的关键作用，丰富了对内皮细胞如何整合系统性信号进行器官再生的认识。这一发现提升了人们对血管内皮细胞在肺功能恢复中的调控机制的理解。
  2. 应用价值： 通过修复TPI1的多巴胺修饰，可以阻止受伤肺中的纤维化进程，从而为治疗肺纤维化疾病提供新的可能性。这一策略通过提升糖代谢、抑制脂质过氧化，提供了新的靶点和治疗方法。

研究亮点

  1. 发现TGM2依赖的多巴胺修饰途径： 本研究首次揭示了TGM2对肺内皮细胞中多巴胺修饰的关键作用，并明确了这一修饰如何通过调节TPI1的活性来促进肺再生。
  2. 多维化学蛋白质组学应用： 通过创新的化学蛋白质组学策略成功锁定了TPI1为多巴胺修饰的主要目标，展示了该实验方法在探索蛋白质修饰机制中的潜力。
  3. Q65多巴胺修饰的催化机制解析： 通过分子动力学模拟，研究团队详细解析了Q65多巴胺修饰如何通过改变TPI1的构象来增强其催化活性。

其他有价值的信息

  1. 未来研究方向： 本研究提出未来可以进一步探索多巴胺修饰在肺再生中的具体信号传导机制，以及其在其他器官中的潜在作用。
  2. 治疗潜力： 研究表明，注射合成的多巴胺探针Pro-DA可以有效提升TPI1的多巴胺修饰水平，表明该方法在临床治疗中的潜力。

结论

通过揭示多巴胺修饰在肺再生中的关键作用，本研究为理解和治疗肺纤维化提供了新的视角和潜在治疗靶点。研究团队的多维度分析和实验策略提供了详细的分子机制，为未来的研究和临床应用奠定了坚实基础。