武汉大学Nature发文：依赖人体合成的胆固醇究竟是怎么形成的？

BioArt 生物探索

本文转载自“BioArt”微信公众号。
人可以从肉、蛋等食物中摄取胆固醇，但是在以碳水化合物为主要食物的情况下，人体胆固醇完全依赖自身合成。胆固醇合成需要消耗很多营养与能量，因此经过长期进化，哺乳动物只在进食后才明显上调胆固醇合成，而在饥饿状态下则抑制合成，但其中的调控机制一直不清楚。
2020年11月11日，武汉大学生命科学学院宋保亮课题组在Nature杂志上发表文章Feeding induces cholesterol biosynthesis via the mTORC1-USP20-HMGCR axis，揭示了进食诱导胆固醇合成的机制。
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2928-y
研究首先发现喂食小鼠高糖低脂食物后，肝脏中胆固醇合成途径限速酶HMGCR的蛋白量显著增加（图1 a）。通过体外生化实验，证明进食后肝细胞胞质中的去泛素化酶活性增强（图1b, c）。基于该线索，研究人员逐一克隆表达70多个去泛素化酶，最终筛选到USP20是HMGCR特异的去泛素化酶。
图1. 去泛素酶USP20介导进食诱导的HMGCR蛋白增加。a, 小鼠饥饿或进食后肝脏中关键胆固醇合成酶的蛋白水平。Fasted: 饥饿组， Refed：再进食组；b, HMGCR体外去泛素化实验流程示意图；c, 体外去泛素化实验分析HMGCR的泛素化水平；d, 检测野生型（WT）和肝脏特异性敲除USP20（L-Usp20-/-）小鼠在饥饿或进食后肝脏中相应蛋白水平的变化。
组织表达谱表明USP20在肝脏中高表达，在肝脏中敲除USP20基因后，进食诱导的HMGCR蛋白增加就不再发生（图1d），胆固醇从头合成的速率也大大降低。表明USP20介导的HMGCR去泛素化是进食诱导胆固醇合成的关键因素。
研究人员进一步发现，进食后血液中显著升高的葡萄糖和胰岛素协同激活mTORC1激酶，后者在S132和S134位点上磷酸化修饰USP20蛋白。该修饰并不影响USP20酶活性，但促使USP20结合HMGCR蛋白复合物，稳定HMGCR蛋白，上调胆固醇合成。在USP20（S132A/S134A）点突变小鼠（Usp20KI/KI）中，进食几乎不再诱导HMGCR蛋白增加（图2）。
图2. 胰岛素和葡萄糖信号通过mTORC1磷酸化USP20。a. 胰岛素和葡萄糖处理WT和L-Usp20-/-小鼠的原代肝细胞；b, 体外激酶表明mTORC1可直接磷酸化WT USP20，而不能磷酸化S132A&S134A突变的USP20；c, 检测WT和Usp20KI/KI小鼠在饥饿或进食后肝脏蛋白水平变化；d, 信号通路模式图。
为了进一步阐明USP20在代谢性疾病中的功能，研究人员对WT和L-Usp20-/-小鼠用高糖高脂饲料喂养，相对于WT小鼠，L-Usp20-/-小鼠体重明显减轻（图3 a），体脂降低，肝脏中的脂肪堆积减少（图3 b），血液胆固醇水平显著下降（图3 c）。同时，基因敲除USP20导致小鼠产热增加，红外照相显示L-Usp20-/-小鼠有更高的体温（图3 d）。产热增加是由于代谢流改变，导致琥珀酸增多，后者诱导产热。
研究人员还构建了持续稳定型HMGCR(K248R) knock-in小鼠，在此背景下敲除USP20则上述代谢表型消失，证明USP20缺失导致的代谢改变依赖HMGCR蛋白降解。
图3. USP20缺失可抑制代谢性疾病发生。a, 小鼠体重变化；b, 肝脏和白色脂肪（WAT）组织切片染色；c, 脂蛋白胆固醇水平；d, 红外热像测量体表温度。
为探索USP20可否作为肥胖等代谢性疾病治疗的靶标，研究人员给予肥胖小鼠USP20抑制剂，发现该抑制剂能够显著减轻体重，降低血液胆固醇与甘油三脂水平及提高胰岛素敏感性（图4），抑制USP20后还引起琥珀酸增多，增加产热。
这些代谢指标的改善均有助于治疗高胆固醇血症、肥胖、糖尿病等代谢疾病。另外，USP20抑制剂在L-Usp20-/-小鼠上没有效果，表明该化合物引起的代谢改善是通过抑制USP20而实现。
图4. USP20抑制剂可治疗代谢综合征。a. USP20抑制剂治疗饮食诱导肥胖小鼠实验流程示意图。HFHS: 高糖高脂饲料，GSK2643943A：USP20抑制剂；b. 小鼠体重变化；c. 葡萄糖耐受实验（GTT）。
这篇论文针对饮食诱导胆固醇合成这一代谢领域的常见重要现象，基于巧妙设计的体外生化反应，发现新的调控因子USP20，并鉴定出新的功能性磷酸化修饰位点；在生理方面，发现进食后血液中升高的葡萄糖和胰岛素作为信号，激活mTORC1，后者磷酸化USP20而稳定HMGCR，上调胆固醇合成，从而将吸收的葡萄糖等营养物质转变为胆固醇；在病理和药物研发方面，长期高糖高脂饮食诱导USP20磷酸化增多，稳定HMGCR蛋白而升高胆固醇，是引起代谢性疾病的原因，相反抑制USP20可促使HMGCR降解，脂质合成减少，同时迫使琥珀酸生成增多，诱导产热。

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