郝宏东和周文明课题组在天然二萜Conidiogenone C靶向IRGM1维持线粒体质量控制改善自身免疫疾病方面取得重要进展

2024年12月30日，重点实验室郝宏东/周文明课题组，联合北京大学药学院黎后华团队在Nat Commun（IF=14.7）发表了题为“Total synthesis and target identification of marine cyclopiane diterpenes”的文章，报道了三种Cyclopianes二萜的不对称全合成，并通过化学蛋白质组学方法鉴定出IRGM1作为conidiogenone C发挥抗炎作用的关键靶标。机制上，conidiogenone C激活IRGM1介导的功能失调的线粒体自噬，抑制I型干扰素的产生，从而维持炎性巨噬细胞的线粒体质量控制。鉴于IRGM1可将线粒体质量控制与自身免疫联系起来，Conidiogenone C可能具有治疗多种自身免疫性疾病的潜力。

1、Cyclopiane二萜的合成

Cyclopianes二萜为青霉菌的次级代谢产物，该类分子展现出具有新颖的碳骨架和多种生物活性，成为了有机合成化学家们的研究目标分子而备受关注。本研究报道了Cyclopianes二萜中的conidiogenone C、conidiogenone K、12β-hydroxy conidiogenone C的不对称全合成，并开展了其靶标鉴定，揭示了IRGM1作为conidiogenone C的关键靶标负责其抗炎活性。

作者首先介绍了一下Cyclopiane二萜中的化合物结构情况，并总结了已报道的关于Cyclopiane二萜合成的研究情况，接着提出了Cyclopiane二萜中conidiogenone C、conidiogenone K、12β-hydroxy conidiogenone C的不对称全合成策略（图1）。

图1 三种Cyclopianes二萜的全合成

2、Cyclopianes二萜的抗炎活性评价和靶标鉴定

作者检测了这3个cyclopiane二萜的抗炎活性，发现其中的conidiogenone C显著下调LPS刺激的RAW 264.7细胞中IFN刺激基因（ISG）Ifnb、Mx1的mRNA表达水平，而对其他细胞类型无作用，表明conidiogenone C在炎性巨噬细胞中具有很强的特异性和选择性。

随后，作者进一步研究conidiogenone C的作用机制，拟通过ABPP方法寻找其直接靶蛋白。首先合成了炔基标记的conidiogenone C探针，并证明该探针和conidiogenone C一样具备生物学活性，可下调LPS刺激的RAW264.7细胞中ISGs的mRNA表达。

接着，利用该探针开展靶标筛选实验，59个蛋白在3次生物学重复中均被发现，被认为是潜在的靶标。KEGG富集分析和GO分析为这些靶标的白评估提供了信息，将免疫相关GTP酶家族M蛋白1（Immunity-related GTPase family M protein 1，IRGM1）是调节先天免疫和炎症反应的重要蛋白，被确定为潜在的有前途的细胞靶标。

通过在裂解液或活细胞中与conidiogenone C共孵育的竞争性pull-down实验表明，conidiogenone C直接与IRGM1蛋白结合（图 2）。

图2 将IRGM1鉴定为细胞靶标

3、Conidiogenone C激活IRGM1介导的线粒体自噬维持线粒体质量控制

IRGM1是免疫相关GTP酶家族蛋白之一，是I型干扰素的主要抑制因子。作者发现沉默IRGM1后，不再观察到conidiogenone C对IFN刺激基因ISGs表达的抑制，表明IRGM1介导conidiogenone C对I型IFN的抑制。此外，作者发现conidiogenone C对IRGM1的mRNA和蛋白表达水平均没有显著影响。

先前的研究表明，IRGM主要通过调节线粒体自噬通量来影响线粒体DNA（mtDNA）依赖的IFN-I反应。作者发现conidiogenone C通过减少mtDNA向胞浆的释放来抑制I型IFN反应。此外，conidiogenone C激活IRGM1介导的功能失调的线粒体自噬，以挽救LPS诱导的线粒体功能障碍，而使用自噬抑制剂或沉默IRGM1均会显著减弱conidiogenone C的作用。

总之，在炎症巨噬细胞中，conidiogenone C可以激活IRGM1介导的线粒体自噬，从而维持线粒体质量控制。

综上所述，本研究完成了Conidiogenone C、Conidiogenone K和12β-hydroxy conidiogenone C的不对称全合成。此外，生物学评价表明Conidiogenone C具有抗炎活性。通过在LPS刺激的RAW264.7细胞中使用Conidiogenone C探针进行化学蛋白质组学分析，于是鉴定了IRGM1是Conidiogenone C的关键细胞靶标。

机制上，Conidiogenone C直接与IRGM1结合，通过激活IRGM1介导的功能失调的线粒体自噬，从而清除细胞质mtDNA，维持炎性巨噬细胞的线粒体质量控制，并抑制炎症巨噬细胞中的I型干扰素反应（图3）。Conidiogenone C作为IRGM1的第一个小分子激活剂的鉴定可能为进一步治疗一系列自身免疫性疾病的潜在治疗应用提供了新的思路。

图3 天然二萜Conidiogenone C靶向IRGM1维持线粒体质量控制

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-024-55189-8