首次发现蛋白质“丙酮酸化”修饰，揭示高血糖削弱抗病毒免疫全新机制

高血糖与免疫力下降之间的隐秘联系，一直是生命科学领域试图彻底解开的谜题。特别是在病毒肆虐的时期，糖尿病患者往往面临着更高的重症感染风险。这种现象背后的分子机制究竟是什么？

2月27日，《Cell》的研究报道“Pyruvate is a natural suppressor of interferon signaling by inducing STAT1 protein pyruvylation”，不仅打破了我们对传统代谢产物的固有认知，还首次发现了一种全新的蛋白质修饰方式。研究人员发现，糖酵解途径的终产物——丙酮酸（Pyruvate），并不仅仅是细胞的能量载体，它更像是一个潜伏在免疫系统内部的“控制开关”。当体内葡萄糖浓度升高时，过量的丙酮酸会直接共价结合并修饰一种关键的免疫蛋白，从而物理性地阻断人体的抗病毒信号传导。这一发现为高血糖导致免疫力低下的临床现象提供了最底层的分子解释，也为未来的抗病毒治疗打开了一扇全新的大门。

追踪消失的抗病毒信号：从糖代谢异常中寻找蛛丝马迹

要理解这项研究的突破性意义，我们先来看看细胞内部最古老、最核心的能量代谢网络——糖酵解（Glycolysis）。在常规的生理学认知中，糖酵解是一条将葡萄糖分解为丙酮酸并释放能量的流水线。然而，这条看似纯粹为了能量而生的代谢通路，却在面对外界病毒入侵时，表现出了令人意外的干扰能力。

当我们审视一份全转录组测序（RNA-seq）的数据时，数字往往能揭示最隐秘的生命规律。在研究人员的对比实验中，他们将细胞分别培养在5毫摩尔每升（低葡萄糖）和25毫摩尔每升（高葡萄糖）的环境中，随后使用I型干扰素（IFN-I）对这些细胞进行刺激。I型干扰素是人体抗病毒免疫的第一道也是最重要的一道防线，它能够诱导下游大量抗病毒基因的表达。然而，测序结果展现出了一幅截然不同的图景：与低糖环境相比，处于高糖环境中的细胞在接收到干扰素信号后，高达3296个基因的表达被显著下调，同时有3702个基因表达上调。

在这3296个被下调的基因中，包含了大量经典的干扰素刺激基因（ISGs），例如Ifit1、Isg15和Viperin等。这些基因原本是细胞用来抵御病毒复制的“重型武器”，但在高糖的浸润下，它们的表达遭到了极其强烈的压制。为了确认这种现象并非由高浓度糖分带来的渗透压改变所引起，研究人员引入了甘露醇（Mannitol）作为对照。甘露醇可以提供相同的渗透压，但无法进入细胞的糖酵解途径。实验数据显示，高浓度的甘露醇完全无法抑制干扰素诱导的基因表达。这一结果有力地证明，免疫信号的衰减直接归咎于葡萄糖的代谢过程本身。

更进一步的证据来自于对糖酵解通路的源头阻断。研究人员向细胞中加入了2-脱氧-D-葡萄糖（2DG），这是一种能够特异性竞争并抑制己糖激酶（HK）的化合物，相当于直接切断了糖酵解流水线的源头。当加入2毫摩尔每升的2DG阻断糖酵解后，原本被高糖压制的干扰素刺激基因表达量出现了极其显著的反弹。这一系列严密的逻辑论证，将抗病毒免疫力下降的“罪魁祸首”牢牢锁定在了糖酵解这条代谢管线之中。

抽丝剥茧的排查：锁定代谢管线中的关键“内鬼”

既然确定了糖酵解通路是抑制免疫信号的源头，接下来的挑战便是：在这条包含十个酶促反应步骤的复杂管线中，究竟是哪一个中间产物或酶在向免疫系统发送“抑制指令”？

这就像是在一条漫长而严密运转的工业流水线上排查次品来源。研究人员采取了逐一排查的策略。他们利用短发夹RNA（shRNA）技术，系统性地沉默了糖酵解通路上的几个关键代谢酶。当他们分别敲低己糖激酶（HK）、磷酸果糖激酶1（PFK1）、烯醇化酶1（ENO1）或丙酮酸激酶M2（PKM2）时，细胞对干扰素的响应能力大幅提升，抗病毒基因的表达量显著增加。

然而，在这个排查过程中，一个极其关键的转折点出现了。当研究人员敲低乳酸脱氢酶A（LDHA）时，干扰素诱导的基因表达并没有得到促进。在生化反应的顺序上，PKM2负责催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸，而LDHA则负责将丙酮酸进一步转化为乳酸。敲低PKM2能解除免疫抑制，但敲低LDHA却不能。这构成了一个非常巧妙的逻辑闭环：导致免疫抑制的“嫌疑分子”，必然是在PKM2之后产生，并在LDHA之前积累的物质。

毫无疑问，这个分子就是丙酮酸。

为了验证这一推论，研究人员直接向培养环境的细胞中加入了丙酮酸钠。实验数据完美地印证了他们的猜想：外源性加入0.3毫摩尔每升或0.5毫摩尔每升的丙酮酸，能够以剂量依赖的方式，剧烈地下调干扰素诱导的抗病毒基因表达。作为对照，同样剂量的乳酸则完全没有这种抑制效果。即使研究人员预先使用2DG切断了细胞自身的糖酵解，此时只要向培养基中人为补充丙酮酸，依然能够稳稳地压制抗病毒基因的激活。

更为巧妙的是，研究人员使用了UK-5099这种化合物。UK-5099是一种线粒体丙酮酸载体抑制剂，它的作用是阻止丙酮酸进入线粒体参与三羧酸循环，从而迫使大量的丙酮酸在细胞质中淤积。实验发现，当用20微摩尔每升或100微摩尔每升的UK-5099处理细胞后，细胞质中积累的丙酮酸同样极大地削弱了干扰素的抗病毒活性。至此，代谢物丙酮酸作为一种天然的免疫信号抑制剂的身份被彻底坐实。

破译分子密码：见证一种全新蛋白质修饰的诞生

丙酮酸如何跨界干预免疫系统？一个代谢产物为何能拥有调控庞大信号通路的能力？在过去的几年里，学界已经发现乳酸可以作为小分子供体，通过乳酸化修饰来调控组蛋白和基因表达。那么，丙酮酸是否也具有直接修饰蛋白质的能力？

为了探寻丙酮酸在细胞内的直接作用靶点，研究人员运用了生物素标记技术。他们合成了一种带有生物素标签的丙酮酸（Biotin-Pyruvate），并将其加入细胞中。经过24小时的孵育后，利用抗生物素抗体进行免疫沉淀，并结合质谱技术进行分析。结果令人振奋：质谱数据清晰地显示，丙酮酸与信号转导及转录激活因子1（STAT1）存在结合。STAT1是I型干扰素信号通路中绝对的核心蛋白，负责将抗病毒指令从细胞膜传递至细胞核。

这引发了下一个深层次的问题：这种结合是微弱的非共价相互作用，还是牢不可破的共价修饰？为了弄清这一点，研究人员在免疫沉淀的过程中，使用高达500毫摩尔每升氯化钠的高盐洗脱液对结合复合物进行了极其严苛的清洗。在如此高强度的盐浓度下，绝大多数非共价键都会被破坏，但生物素标记的丙酮酸依然死死地结合在STAT1蛋白上。这强烈暗示了共价修饰的存在。

为了在浩如烟海的蛋白质序列中精确定位这处修饰，研究人员动用了高分辨率的高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）技术。当他们对高通量数据进行细致比对时，一个极为异常的质荷比（m/z）偏移引起了注意。在STAT1蛋白的第201位赖氨酸（Lys201/K201）上，出现了一个精确为70.0468道尔顿（Daltons）的质量增加。在化学结构上，这个质量的增加与一个丙酮酰基团共价结合到赖氨酸的ε-氨基上所产生的分子量变化分毫不差。

这一发现犹如在黑暗的分子世界中点亮了一盏明灯，它标志着一种在自然界中从未被人类记载过的全新蛋白质翻译后修饰（PTM）方式——蛋白质丙酮酸化（Protein Pyruvylation），正式进入了生命科学的视野。

为了评估这种全新修饰在生理条件下的规模，研究人员进行了化学计量学分析。在含有5毫摩尔每升葡萄糖（模拟正常生理血糖）的培养基中，仅有约1.16%的内源性STAT1蛋白发生了丙酮酸化修饰。然而，当葡萄糖浓度提升至10毫摩尔每升（模拟高血糖状态）时，发生丙酮酸化修饰的STAT1比例激增至26.30%。这种数十倍的跨越，将代谢波动与蛋白质结构的改变紧密地绑定在了一起。为了更好地开展后续研究，研究人员还专门针对这个特定的修饰位点，定制研发了特异性的STAT1-Pyru-K201抗体。

阻断拥抱的物理障碍：丙酮酸如何瓦解免疫核心建筑

明确了STAT1发生丙酮酸化的位置，随之而来的问题是：第201位赖氨酸上的这个小小的丙酮酰基团，是如何使得整个抗病毒信号通路瘫痪的？

I型干扰素发挥作用的经典路径被称为JAK-STAT通路。当干扰素与细胞膜上的受体结合后，会激活细胞内的激酶（JAK1和Tyk2），这些激酶随后会在特定的酪氨酸位点上磷酸化STAT1和STAT2蛋白。磷酸化后的STAT1和STAT2必须在空间上相互靠近，紧紧地“拥抱”在一起，形成一个异源二聚体。只有形成了这个二聚体，它们才能获得进入细胞核的“通行证”，进而启动抗病毒基因的表达。

通过严谨的免疫印迹实验，研究人员发现，丙酮酸的处理并没有减少干扰素受体的数量，也没有阻碍JAK1、Tyk2、STAT1或STAT2的磷酸化过程。那些位于上游的激活信号都在正常传递。真正发生断裂的环节，在于STAT1和STAT2的异源二聚化。

免疫共沉淀实验揭示，随着丙酮酸浓度的增加，STAT1和STAT2之间的相互结合显著减弱。这是一个纯粹的物理空间阻碍机制。在STAT1的蛋白质三维结构中，第136至240位氨基酸所在的区域被称为卷曲螺旋结构域，这正是STAT1用来与STAT2进行物理结合的核心接触面。第201位赖氨酸恰好位于这个至关重要的接触界面上。

当高浓度的丙酮酸在K201位点上强行挂上一个庞大的丙酮酰基团时，这个修饰就像是在原本严丝合缝的齿轮之间塞入了一块石头。这种空间位阻效应（Steric hindrance）直接导致了STAT1无法再与STAT2形成稳定的异源二聚体。

为了验证这一机制的唯一性，研究人员对STAT1的序列进行了定向的点突变操作，将第201位的赖氨酸突变为了精氨酸（STAT1-K201R）。精氨酸在结构和电荷上与赖氨酸相似，但它的侧链结构使其无法发生丙酮酸化修饰。体外结合实验证实，无论是给予多高浓度的外源丙酮酸，或者通过过表达PKM2来人为制造极高的内源性丙酮酸，只要STAT1的201位点被保护起来（K201R突变），STAT1与STAT2的结合度就不再受到任何抑制。相反，在野生型（WT）细胞中，特异性抗体拉下的丙酮酸化STAT1几乎完全失去了与STAT2的结合能力。由此，丙酮酸瓦解免疫核心建筑的微观机制被彻底阐明。

跨越物种的生命验证：从定制小鼠模型到真实的生存考验

研究人员将这项发现推向了动物实验层面，以验证蛋白质丙酮酸化在活体动物抗病毒免疫中的决定性作用。

他们首先在野生型小鼠体内直接连续三天腹腔注射丙酮酸（每天每公斤体重2克）。随后的检测发现，小鼠肝脏组织中STAT1蛋白在K201位点的丙酮酸化水平急剧飙升。当对这些注射了丙酮酸的小鼠感染水疱性口炎病毒（VSV）后，其体内多种抗病毒基因的表达量出现了悬崖式的下跌。这在活体水平上重现了细胞实验的结论。

为了提供更加严密且具有说服力的遗传学证据，研究人员利用基因组编辑技术，培育了一批特殊的转基因小鼠——STAT1-K201R敲入（Knockin）小鼠。在这批小鼠体内，STAT1的第201位赖氨酸被永久性地替换为了精氨酸，这意味着它们体内的STAT1拥有了天然的“防丙酮酸化护盾”。

当面对真实的致命病毒挑战时，这批定制小鼠展现出了惊人的生存优势。研究人员分别使用水疱性口炎病毒（VSV）和仙台病毒（SeV）对小鼠进行感染（剂量为每克体重1×10^8空斑形成单位）。对比数据极为震撼：在感染病毒后，STAT1-K201R敲入小鼠的肝脏、脾脏、肺部和肾脏组织中，抗病毒基因（如Ifit1）的表达量远远高于野生型小鼠。这种强劲的免疫转录响应直接转化为对病毒的强大压制力。检测结果显示，敲入小鼠各器官内的病毒载量呈现出数量级式的下降，伴随而来的是组织炎症反应的大幅减轻。

最直观的考验来自于生存率曲线的描绘。在同等高强度的病毒感染压力下，野生型小鼠的存活率随着时间的推移迅速滑落，最终展现出极高的死亡率。而STAT1-K201R敲入小鼠的生存曲线则始终保持在显著更高的水平上。这种在宏观生存层面的巨大反差，确凿地证明了阻断K201位点的丙酮酸化修饰，能够极其有效地解除免疫信号的枷锁，全面提升宿主的抗病毒能力。

照进现实的临床启示：高血糖人群免疫危机的底层真相

高血糖究竟是如何在真实的人类患者体内剥夺免疫力的？研究人员将目光转向了临床样本，对人体外周血单个核细胞（PBMCs）进行了深入的分析。

研究团队招募了12名志愿者，根据他们的空腹血糖水平将其分为两组：血糖水平低于或等于6.1毫摩尔每升的正常血糖组（NG组，6人），以及血糖水平高于10.0毫摩尔每升的新发糖尿病高血糖组（HG组，6人）。对这些临床样本的分析，呈现出了极其清晰的代谢与免疫博弈图景。

首先是代谢指标的差异。检测数据显示，HG组人群不仅血清中的丙酮酸水平显著偏高，其外周血单个核细胞（PBMCs）内部的胞内丙酮酸水平也大幅度超出NG组。伴随着这股高涨的丙酮酸暗流，HG组人群PBMCs中STAT1蛋白的丙酮酸化水平呈现出肉眼可见的增强，而随之对应的STAT1-STAT2结合能力则显著减弱。

当研究人员在体外使用I型干扰素或者真实的病毒去刺激这些来自不同人群的免疫细胞时，临床现象背后的分子逻辑被彻底暴露。HG组的免疫细胞表现出了明显的“迟钝”与“疲软”，其针对干扰素刺激或病毒入侵所启动的抗病毒基因表达量，远远低于NG组的细胞。

为了使这种相关性更加严谨，研究人员对数据进行了相关性分析。结果显示，个体血清中的丙酮酸水平，与其免疫细胞激活Ifit1和Isg54基因的能力之间，呈现出极强的负相关性（相关系数r分别为0.7832和0.7941）。同样地，PBMCs内部的丙酮酸水平与这些基因的表达也存在高度的负相关（相关系数r分别为0.7458和0.8224）。这些冷峻的数据，在临床样本层面构建起了一道坚实的证据链：高血糖状态所引发的代谢紊乱，使得体内丙酮酸异常富集；过量的丙酮酸借机修饰了免疫核心蛋白STAT1，从物理层面上拆解了免疫防御的传递机制，最终导致患者在面对病毒时显得尤为脆弱。

代谢与免疫的深层交织

在漫长的生命演化史中，生物体形成了一套极其错综复杂的自我调节网络。这项关于蛋白质丙酮酸化的突破性研究，不仅为高血糖与免疫缺陷之间搭建了坚实的分子桥梁，更重塑了我们对细胞代谢的认知边界。

在传统的教科书里，代谢物往往被简单地视为生物化学反应的燃料或废料。然而，随着丙酮酸化修饰的发现，丙酮酸被赋予了全新的身份——它是一种极具权力的信号传导分子。在营养过剩或代谢失调的环境下，丙酮酸能够跨越原本分明的界限，以一种最直接的共价修饰方式，去干涉、阻挠免疫系统的高级决策。

这种代谢与免疫的深层交织，或许在人类的进化早期具有某种特定的生理意义。例如在营养匮乏时，通过代谢产物去调节高耗能的免疫反应，以实现能量的重新分配。但在物质极大丰富的现代社会，这种古老的调节机制却在高血糖状态下被异常放大，演变成了一种致命的免疫枷锁。

这项研究的价值，更在于它为未来的临床医学指明了极具潜力的干预方向。目前，干扰素依然是治疗慢性乙型肝炎等严重病毒感染的重要临床药物。然而，临床上常常遇到患者对干扰素治疗响应不佳的情况，尤其是那些合并有代谢综合征或高血糖的患者。基于这项研究的揭示，我们完全有理由相信，通过开发能够靶向抑制蛋白质丙酮酸化的小分子药物，或者在抗病毒治疗期间严格进行代谢干预以降低体内丙酮酸水平，将有望解开套在STAT1蛋白上的这把枷锁，重新唤醒患者体内沉睡的抗病毒潜能。

参考文献

Zuo Y, Wang Q, Tian W, Wang X, Zheng Z, He W, Zhang R, Zhao Q, Miao Y, Yuan Y, Zhang T, Cui Q, Zhang Y, Liu C, Zhou H, Zheng H. Pyruvate is a natural suppressor of interferon signaling by inducing STAT1 protein pyruvylation. Cell. 2026 Feb 27:S0092-8674(26)00110-8. doi: 10.1016/j.cell.2026.01.023. Epub ahead of print. PMID: 41763198.