CRTC2在肝脏脂内稳态中的作用

韩锦铂1# 李二伟1# 陈力群1 张元元1 魏方超1 刘洁媛2 邓海腾2 王一国1*
(1清华大学生命科学学院, 清华大学–北京大学生命科学联合中心, 教育部生物信息学重点实验室, 北京 100084; 2清华大学生命科学学院, 生物医学测试中心, 北京 100084)
 
 

王一国, 清华大学生命科学学院研究员, 博士生导师, 中组部“青年千人计 划”、自然科学基金委“优秀青年基金”获得者。2001年毕业于曲阜师范大 学, 获学士学位。2007年在中国科学院上海生命科学研究院生物化学与 细胞生物学研究所获博士学位, 导师陈正军研究员。2007年至2012年在 美国Salk Institute著名科学家Marc Montminy实验室从事博士后研究。主 要研究方向为激素、营养和应激信号在能量稳态平衡中的调控机制及其 与相关代谢性疾病之间的联系。课题组近期在Nature上发表论文, 报道了 CRTC2调控脂代谢的信号通路, 揭示了代谢性疾病中肝脏脂代谢紊乱的 重要分子机制(Han et al. Nature 2015)。

 
 

1 SREBP1与脂稳态
脂合成是脂肪酸合成以及甘油三酯形成的过 程[1], 脂合成的增强可以导致甘油三酯在肝脏中的 异常积累, 进而引起非酒精性脂肪肝和胰岛素耐 受[2-3]。固醇调控元件结合蛋白1(sterol regulatory element-binding protein 1, SREBP1)是调控脂合成 的重要转录调控因子, 它是一个以非活性前体形式 存在于内质网的跨膜蛋白[4-5]。在胰岛素信号通路 被激活后或者在响应低固醇水平信号时, SREBP1 以依赖于外壳蛋白复合物II(coat protein complex II, COPII)的方式从内质网被转运到高尔基体, 通过蛋 白酶剪切, 成熟后的SREBP1进入细胞核促进脂生 成有关基因的表达[6-8]。在肥胖、二型糖尿病以及 脂肪肝模型小鼠体内SREBP1的活性显著增强[9], 然 而这一现象的分子机制并不清楚。尽管最近的研究 表明, SREBP1的活性依赖于mTOR[10-13], 但具体的调 控机制仍不清楚。

2 CRTC2与糖代谢
CREB转录激活因子2(coactivator 2, CRTC2)是 一个可以在细胞质和细胞核之间穿梭的蛋白, 目前 关于CRTC2的研究主要集中于它在细胞核内的功 能[14]。在基础状态下, CRTC2处于磷酸化状态并通 过结合14-3-3蛋白定位于细胞质; 当受到胞内的钙 离子和环腺苷酸信号调控时, CRTC2被钙调磷酸酶 去磷酸化, 去磷酸化的CRTC2进入细胞核促进其靶 基因的转录[14-15]。在细胞核内, CRTC2作为一个转 录激活子通过结合不同的转录因子在糖异生和内 质网应激过程中发挥重要作用[14-16], 但至今我们对 CRTC2在细胞质内的功能知之甚少。尽管目前关于 CRTC家族成员的研究主要集中在它们在糖代谢中所发挥的作用[14], 但也有一些研究显示, CRTC家族 在脂代谢中可能起着重要作用[17-19]。这些发现让我 们对CRTC2是否在肝脏脂代谢中发挥重要作用产生 了极大的兴趣。

3 CRTC2调控脂代谢
我们利用Crtc2敲除小鼠进行研究, 发现无论在 正常食物喂养条件下还是在高脂食物喂养条件下, Crtc2敲除小鼠肝脏中甘油三酯含量与野生型小鼠 相比均有显著增加[20]。进一步的研究发现, 甘油三 酯含量的增加与SREBP1活性的增强以及CRTC2细 胞质的功能密切相关(图1)[20]。我们之前的研究表明, CRTC2在细胞质中富集于内质网周围[15-16]。这些结 果提示, CRTC2可能参与了SREBP1转运过程的调 控。通过对内质网组分的亚细胞分离及相互作用蛋 白质的分析, 我们发现, CRTC2和COPII复合物中的 一个亚基Sec31A存在相互作用[20]。同时, 研究结果 表明, CRTC2上Trp143这个位点对CRTC2与Sec31A 之间的相互作用很重要[20]。Sec31A的C-端不仅结合 CRTC2, 而且也是其与Sec23A相互作用的区域, 于 是我们推测, CRTC2可能阻碍了Sec31A与Sec23A的 相互作用, 体内外的实验结果证实了这一推测[20]。 因此, 这些结果表明, CRTC2通过和Sec23A竞争性 结合Sec31A来调控SREBP1的转运和加工成熟过程。

胰岛素信号和营养信号可以调控SREBP1的成 熟过程及其转录因子活性[7-8,21], 我们推测CRTC2和 Sec31A的相互作用可能受到激素和营养物质的调 控, 进而调控了SREBP1的激活。实验证明, 胰岛素 和氨基酸均可以减弱CRTC2和Sec31A的相互作用 并增强Sec23A和Sec31A的相互作用[20]。同时, 我们通过体内和体外实验发现, mTOR可以在Ser136这个 位点直接磷酸化CRTC2, CRTC2的磷酸化缺陷突变 体CRTC2(S136A)减弱了胰岛素对Sec23A:Sec31A之 间相互作用的调节[20]。
那么, mTOR-CRTC2-SREBP1调控机制在代谢 性疾病中发生了什么变化呢?我们利用肥胖和糖 尿病模型小鼠分析了CRTC2的磷酸化及其调控作 用。研究结果表明, 在肥胖和糖尿病模型小鼠中, mTOR对CRTC2 Ser136的磷酸化显著增强, CRTC2 和Sec31A的相互作用减弱; 同时, Sec31A和Sec23A 的相互作用增强[20]。另外, 通过表达磷酸化缺陷的 CRTC2突变体CRTC2(ΔTAD/S136A)可以降低高脂 食物喂养的小鼠肝脏中SREBP1的活性和甘油三酯 的含量、增强小鼠的胰岛素敏感性[20]。这些结果显 示, 在肥胖和糖尿病患者体内, CRTC2 Ser136磷酸化 的增强是导致SREBP1活性升高和肝脏脂生成增加 的重要原因之一。
综上所述, 我们发现, CRTC2介导了mTOR信 号通路对SREBP1活性和脂合成代谢的调节, 揭示 了代谢性疾病中肝脏脂代谢紊乱的重要分子机制。 这项工作的重要意义在于: (1)发现CRTC2除了入核 调控糖代谢之外, 定位于细胞质的CRTC2发挥着调 控脂代谢的重要功能; (2)阐明了mTOR信号通路对 SREBP1活性调控的一种分子机制; (3)解释了在肥胖、糖尿病和脂肪肝患者体内SREBP1活性增强的 分子机理, 为这类疾病的治疗提供了新的思路。

4 未来研究方向
我们的工作揭示了定位于细胞质中的CRTC2 介导了mTOR对SREBP1的加工成熟和对脂合成过 程的调控作用, 阐明了在肥胖、糖尿病和脂肪肝患 者体内SREBP1活性增强的分子机理。但仍有很 多问题有待解决, 例如: 在禁食饥饿时, CRTC2穿 梭到细胞核[14], 从而失去了对SREBP1的抑制作用, SREBP1活性应该增强, 但实际上SREBP1的活性在 禁食饥饿时是减弱的[22-24], 具体的机制还不清楚。 另外, 我们的结果显示, CRTC2对SREBP1的成熟过 程有抑制作用, 但对SREBP2的成熟没有影响, 因此, CRTC2对COPII膜泡运输调控的选择性和特异性问 题还有待进一步研究。对这些问题的深入研究, 将 有助于我们更好地理解膜泡运输过程中膜泡对运载 蛋白的选择机制以及相关代谢性疾病的发病机理。

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