PRMT1介导的LDHA甲基化驱动STAT3乳酰化以协同调控肠道炎症与肿瘤发生

《Advanced Science》：PRMT1-Mediated LDHA Methylation Drives STAT3 Lactylation to Orchestrate Intestinal Inflammation and Tumorigenesis

信号转导与转录激活因子3（STAT3）的激活在肠道炎症和肿瘤发生中至关重要。然而，其代谢性调控机制尚未得到充分阐明。本研究鉴定出一条巨噬细胞依赖性的蛋氨酸-S-腺苷甲硫氨酸（SAM）-蛋白精氨酸甲基转移酶1（PRMT1）-乳酸脱氢酶A（LDHA）-乳酸轴，通过调控STAT3控制肠道炎症。具体而言，SAM促进STAT3 Y705位点磷酸化，并上调巨噬细胞中抗炎性白细胞介素-10（IL-10）的表达。此外，在髓系细胞中遗传性敲除PRMT1不仅损害STAT3激活，而且加重结肠炎并促进炎症相关性肿瘤发生。机制上，PRMT1直接甲基化LDHA的R268/R269位点，从而增强其酶活性和乳酸生成。随后，所产生的乳酸诱导STAT3在K709位点发生乳酰化，稳定其开放构象，进而促进Y705位点磷酸化。重要的是，通过K709特异性抑制破坏这一修饰可有效阻断STAT3激活，并因此加剧结肠炎进展。总体而言，本研究揭示了STAT3乳酰化是一种新型翻译后修饰，其整合蛋氨酸代谢与糖酵解通量以调控肠道炎症，凸显了免疫代谢在结肠炎症中的关键作用。

该研究发表于《Advanced Science》，围绕炎症性肠病与结肠炎相关肿瘤发生中的核心信号分子STAT3展开，重点回答其代谢调控机制这一长期未明的问题。炎症性肠病包括溃疡性结肠炎和克罗恩病，具有慢性、复发性和肿瘤转化风险高等特点。既往研究已表明STAT3在肠道炎症控制、上皮稳态维持以及抗炎因子IL-10表达中具有关键作用，且髓系来源STAT3具有显著的抗炎保护效应。然而，STAT3如何与代谢重编程相耦联，尤其是如何受到氨基酸代谢与糖酵解代谢产物的共同调控，仍缺乏清晰机制。与此同时，免疫代谢研究表明，巨噬细胞在炎症激活后会发生糖酵解增强和乳酸积累，而乳酸不仅是代谢终产物，还可通过蛋白乳酰化影响免疫反应。另一方面，S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作为一碳代谢和甲基供体代谢的核心中间体，其与PRMT1介导的精氨酸甲基化是否会参与STAT3调控，也尚未被系统阐明。因此，开展本研究的必要性在于揭示免疫代谢如何通过具体翻译后修饰网络联结炎症信号转导，从而为炎症性肠病及相关肿瘤提供新的治疗靶点。

研究人员首先从代谢变化入手，在脂多糖（LPS）刺激的骨髓来源巨噬细胞中发现SAM显著升高，并进一步证明SAM可以增强STAT3的Y705磷酸化和STAT3靶基因Il10转录。随后研究人员将这一现象与甲基转移酶家族联系起来，通过转录组和药理学筛选确定PRMT1是LPS刺激后最显著上调并参与STAT3激活的关键蛋白精氨酸甲基转移酶。进一步利用髓系特异性Prmt1缺失小鼠，研究人员证明PRMT1缺失会选择性削弱巨噬细胞中的STAT3信号，而不明显影响STAT1或STAT6通路；同时伴随IL-10下降、IL-6和TNF-α等促炎细胞因子升高，提示PRMT1是维持肠道免疫稳态的重要抗炎调节因子。

为开展上述研究，作者综合采用了非靶向代谢组学、RNA测序（RNA-seq）、巨噬细胞与THP-1细胞功能实验、髓系特异性Prmt1敲除小鼠、DSS诱导性结肠炎模型、AOM/DSS结肠炎相关癌模型、免疫共沉淀与质谱、体外甲基化与酶活检测、流式细胞术、多重TSA免疫荧光、LC-MS/MS位点鉴定及分子动力学（MD）模拟等方法；人源样本为临床注释明确的活动期或缓解期炎症性肠病及非IBD对照结肠黏膜FFPE样本。

2.1 S-Adenosylmethionine is Associated With STAT3 Activation
研究人员在LPS刺激的骨髓来源巨噬细胞中进行非偏倚代谢组学分析，发现氨基酸和葡萄糖代谢物普遍升高，其中SAM显著增加。外源SAM处理提升细胞内SAM水平，并增强LPS诱导的Il10转录、STAT3荧光素酶活性以及STAT3 Y705磷酸化。相反，利用蛋氨酸腺苷转移酶抑制剂PF9366阻断内源性SAM生成，则削弱Il10表达、STAT3转录活性和Y705磷酸化。该部分结果表明，SAM是STAT3激活的重要代谢调控因子。进一步通过RNA测序和抑制剂筛选，研究人员发现PRMT1在LPS刺激后最明显上调，且PRMT抑制尤其是PRMT1特异性抑制可显著抑制STAT3激活，建立了SAM-PRMT1-STAT3之间的关联。

2.2 PRMT1 Mediates STAT3 Activation
研究人员构建了髓系特异性Prmt1敲除小鼠，并在来源于这些小鼠的巨噬细胞中观察到，LPS或IL-6刺激诱导的STAT3磷酸化明显降低，而IFN-γ诱导的STAT1磷酸化和IL-4诱导的STAT6磷酸化未见明显变化，说明PRMT1对STAT3具有相对特异的调控作用。PRMT1缺失导致Il10降低，而Il6、Tnfa和Il12a升高，并伴随NF-κB（核因子κB）通路更快激活，包括IκBα降解加速、p65磷酸化和核转位增强。NF-κB抑制剂可逆转PRMT1缺失细胞中的过度炎症表型，说明PRMT1在髓系细胞中还限制NF-κB过度活化，从而抑制炎症放大。

2.3 PRMT1-Deficient Mice are More Susceptible to DSS-Induced Colitis
在DSS诱导性结肠炎模型中，Prmt1^Δmye小鼠表现出更高死亡率、更严重体重下降、更明显结肠缩短和更重的组织学损伤，结肠组织中IL-6、TNF-α升高而IL-10下降。流式与免疫印迹均显示肠道巨噬细胞和结肠组织内STAT3磷酸化受损，表明髓系PRMT1缺失会加重结肠炎。在AOM/DSS结肠炎相关癌模型中，Prmt1^Δmye小鼠生存降低、体重下降更明显、肿瘤负荷增加、异型增生病灶更多，提示PRMT1缺失不仅恶化炎症，也促进炎症相关肿瘤发生。人类IBD结肠黏膜多重免疫荧光分析进一步显示，活动期IBD中CD68阳性巨噬细胞内PRMT1与LDHA胞质共定位增强，核内磷酸化STAT3信号升高，且这些指标与临床和组织学活动度正相关，支持该轴在临床样本中的相关性。研究人员还观察到，髓系Prmt1缺失会降低Th17极化过程中IL-17A分泌，提示髓系PRMT1对适应性免疫也具有细胞外在支持作用。

2.4 STAT3 Activation by PRMT1 Is Dependent on Its Enzymatic Activity
为区分PRMT1的酶活依赖与非依赖功能，研究人员采用SAM结合缺陷突变体E162Q进行回补实验。野生型PRMT1可恢复PRMT1敲低细胞中的STAT3激活和IL-10产生，而E162Q突变体不能恢复。PRMT1特异性抑制剂TC-E 5003同样削弱巨噬细胞中的STAT3激活和IL-10生成。该部分证实PRMT1促进STAT3信号主要依赖其甲基转移酶活性。

2.5 PRMT1 Interacts With LDHA and Regulates Its Activity
通过基于质谱的互作蛋白组学，研究人员鉴定到LDHA是PRMT1的重要结合蛋白。互作在过表达系统、内源性免疫共沉淀和GST pull-down实验中均得到验证，且LPS刺激后PRMT1-LDHA结合增强。PRMT1并不改变LDHA的mRNA、蛋白表达量或稳定性，提示其作用主要不在表达调控层面。分子对接与MD模拟显示，PRMT1结合可限制LDHA活性口袋局部动力学，增强NAD⁺结合稳定性，从而有利于酶活提升。功能实验进一步证实，敲低LDHA会抑制LPS诱导的STAT3磷酸化及IL10转录，说明LDHA是连接PRMT1与STAT3的重要代谢节点。

2.6 PRMT1 Activates STAT3 by Methylating LDHA at R268 and R269
研究人员进一步证明，PRMT1与LDHA位于同一STAT3激活通路中：双敲PRMT1和LDHA并不会比单独敲低产生更强的STAT3抑制。应用LDHA抑制剂草酰胺钠（OAS）后，野生型巨噬细胞中的STAT3激活和IL-10分泌显著下降，并接近Prmt1缺失细胞水平。随后研究人员发现PRMT1可介导LDHA发生不对称二甲基精氨酸（ADMA）修饰，并通过突变定位将关键位点锁定为R268和R269。体外无细胞甲基化体系证明，PRMT1与SAM处理可直接提高LDHA酶活；而R268/269K或R268/269A等甲基化缺陷突变体ADMA信号显著下降，酶活减弱，且不能有效恢复STAT3激活。MD模拟显示，R268/R269位点ADMA修饰可稳定LDHA C末端附近α/β复合结构和催化核心H193周围构象，缩短H193与NAD⁺的关键距离，从而提升催化效率。该部分建立了“PRMT1通过甲基化LDHA增强其酶活和乳酸生成”的直接机制证据。

2.7 Lactylation of STAT3 at K709 Facilitates Its Phosphorylation at Y705
由于LDHA促进乳酸生成，研究人员进一步探讨乳酸是否通过乳酰化修饰调控STAT3。结果显示，PRMT1过表达可提高总体蛋白乳酰化水平，而Prmt1缺失会降低LPS诱导的总乳酰化水平；相反，全局乙酰化并未随PRMT1改变而出现相应变化，提示PRMT1更特异地影响乳酰化。免疫沉淀证实STAT3本身可发生乳酰化。通过截短体分析和LC-MS/MS位点鉴定，研究人员在STAT3转录激活结构域定位到K709乳酰化位点。K709R突变显著削弱STAT3乳酰化，并损害Y705磷酸化及下游IL-10表达。进一步对照K709Q等突变表明，这种功能效应并非由该位点潜在乙酰化所致，而是依赖K709乳酰化本身。MD模拟显示，K709乳酰化破坏K709-E690相互作用，诱导C端环区构象重排，使Y705暴露度增加、溶剂可及表面积升高，从而有利于其磷酸化。研究人员还排除了PRMT1直接甲基化STAT3的可能，支持PRMT1通过代谢重编程间接激活STAT3。

2.8 Blocking STAT3 K709 Lactylation With a Synthesized Peptide Exacerbates DSS-Induced Colitis
为验证STAT3 K709乳酰化的生理意义，研究人员合成了覆盖STAT3 702–714氨基酸区域的TAT标记细胞穿膜肽，包括K709非乳酰化肽、K709乳酰化肽及随机序列对照肽。结果显示，非乳酰化肽能够更有效地竞争性抑制内源性STAT3 K709乳酰化，进而抑制STAT3 Y705磷酸化和IL-10表达。将该肽用于DSS结肠炎模型后，小鼠死亡率升高、体重下降加重、结肠缩短、组织学损伤恶化，结肠组织中IL-6、TNF-α、IL-1β升高而IL-10下降，且磷酸化STAT3减少。该部分从体内干预角度证明，STAT3 K709乳酰化是缓解肠道炎症的重要保护性修饰。

讨论部分表明，本研究从免疫代谢视角系统描绘了SAM-PRMT1-LDHA-乳酸-STAT3乳酰化这一代谢—转录调控环路。其核心认识包括：第一，STAT3 K709乳酰化是一种具有功能特异性的翻译后修饰，对Y705磷酸化和抗炎性IL-10表达至关重要；第二，PRMT1在髓系细胞中兼具促进STAT3-IL-10抗炎轴与抑制NF-κB过度活化的双重作用，因此其缺失会造成炎症失衡；第三，PRMT1并非直接修饰STAT3，而是通过甲基化LDHA的R268/R269位点增强其酶活和乳酸生成，间接驱动STAT3乳酰化与激活；第四，临床IBD样本中PRMT1、LDHA和磷酸化STAT3的空间表达与疾病活动度相关，提示该通路具有转化医学意义。文章的重要意义在于，将蛋氨酸代谢、精氨酸甲基化、糖酵解乳酸生成与STAT3信号网络有机整合，提出一种解释肠道炎症调控的新机制，也为炎症性肠病和结肠炎相关癌的干预提供了新的分子靶点。

研究结论部分可译为：总之，本研究阐明了一条代谢-转录调控回路：SAM驱动PRMT1介导的LDHA激活，增加的乳酸生成进一步驱动STAT3 K709乳酰化及磷酸化，最终增强IL-10转录。该通路代表了炎症性肠病一个具有前景的治疗靶点。