中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所、西南醫(yī)科大學附屬醫(yī)院和青島大學研究人員首次解析脯氨酸羥基化修飾調(diào)控2型糖尿病進展的新機制，揭示了脯氨酸羥化酶3（PHD3）通過羥基化增加糖異生關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子CRTC2的核定位與活性，進而增加肝臟糖異生基因表達和葡萄糖產(chǎn)生。該研究成果于5月30日在《美國科學院院刊》（PNAS）在線發(fā)表。
肝臟作為重要的內(nèi)分泌器官，肝臟糖代謝在維持機體血糖穩(wěn)態(tài)中扮演著重要角色。肝臟糖異生過度增加是導致高血糖和2型糖尿病的重要原因。胰高血糖素的分泌會通過激活PKA通路和增加CREB的磷酸化來促進CREB與其轉(zhuǎn)錄輔因子CRTC2的結(jié)合，進而促進糖異生關(guān)鍵限速酶PEPCK和G6Pase的表達，增加糖異生水平。脯氨酸羥化酶PHD3能夠通過感應氧氣含量的變化來調(diào)節(jié)缺氧誘導因子HIF的羥基化水平，從而影響其活性。然而，PHD3能否感應機體其它生理狀態(tài)變化并調(diào)控機體葡萄糖代謝與血糖穩(wěn)態(tài)尚不清楚。
為了探究PHD3是否能夠感應機體能量的變化，研究人員首先檢測了正常飼喂和禁食狀態(tài)下小鼠肝臟中PHD3的蛋白水平，發(fā)現(xiàn)禁食能顯著增加PHD3的蛋白表達。利用PHD3肝細胞特異性敲除小鼠，分別進行禁食和高脂高蔗糖飲食喂養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)無論是在禁食的生理狀態(tài)還是肥胖的病理狀態(tài)下，PHD3肝細胞特異性敲除均能降低小鼠肝臟中糖異生關(guān)鍵酶的表達水平和減少葡萄糖生成。其次，為了探究PHD3的作用是否通過其羥化酶活性來發(fā)揮，研究人員進一步構(gòu)建了PHD3肝細胞羥化酶活性缺失的基因敲入（KI）小鼠模型，得到了和PHD3肝細胞特異性敲除小鼠一致的結(jié)果，表明PHD3參與糖異生的調(diào)控過程依賴其羥化酶活性。進一步的機制研究發(fā)現(xiàn)，PHD3通過羥基化CRTC2的Pro129和Pro625位點，促進CRTC2與CREB結(jié)合，增加CRTC2的核轉(zhuǎn)位與轉(zhuǎn)錄活性，從而增加糖異生基因轉(zhuǎn)錄和葡萄糖生成。此外，CRTC2 Pro615位點的羥基化水平在禁食小鼠、ob/ob肥胖的糖尿病小鼠、糖尿病病人肝臟組織中均顯著增加，這表明在生理和病理條件下，PHD3介導的CRTC2羥基化修飾可能在小鼠及人的血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)控中均發(fā)揮重要作用。
該研究發(fā)現(xiàn)糖異生關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子CRTC2是PHD3新的下游底物，羥基化修飾增強了CRTC2的核轉(zhuǎn)位與活性，從而增加糖異生基因的表達和肝糖輸出。同時，該研究表明抑制肝臟PHD3或CRTC2羥基化可能是治療高血糖和2型糖尿病的新策略。蛋白質(zhì)翻譯后修飾與2型糖尿病等代謝性疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。李于研究組之前研究發(fā)現(xiàn)，AMPK通過磷酸化修飾脂質(zhì)合成代謝關(guān)鍵因子Insig和SREBP，抑制肝臟脂質(zhì)過度合成和非酒精性脂肪肝（Nat Commun, 2019; Cell Metab, 2013）。這些研究揭示蛋白翻譯后修飾關(guān)鍵酶（如PHD3和AMPK）調(diào)節(jié)糖脂代謝紊亂的分子機制，為防治2型糖尿病和脂肪肝等代謝性疾病提供新的思路和治療手段。
中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所李于研究員、西南醫(yī)科大學附屬醫(yī)院付文廣教授、青島大學方靖教授為本論文通訊作者，中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所薛雅倩博士和崔奧媛副研究員為本論文第一作者。該研究得到國家科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、上海市市級重大專項、代謝性血管疾病四川省重點實驗室開放課題、山東省自然科學基金委、中國博士后科學基金的支持，同時得到中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所公共技術(shù)中心的支持。
研究論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2219419120
PHD3通過非經(jīng)典的CRTC2羥基化修飾激活肝糖異生模式圖
在禁食或胰高血糖素刺激條件下，PHD3結(jié)合并羥基化CRTC2的Pro129和Pro615位點，導致CRTC2的核轉(zhuǎn)位和CREB/CRTC2途徑激活，促進糖異生基因表達和肝糖輸出。CRTC2羥基化是一種非經(jīng)典的CRTC2翻譯后修飾，獨立于經(jīng)典的CRTC2磷酸化修飾對肝臟糖異生的調(diào)控。
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