中國科學(xué)院上海營(yíng)養與健康研究所、西南醫科大學(xué)附屬醫院和青島大學(xué)研究人員首次解析脯氨酸羥基化修飾調控2型糖尿病進(jìn)展的新機制，揭示了脯氨酸羥化酶3（PHD3）通過(guò)羥基化增加糖異生關(guān)鍵轉錄因子CRTC2的核定位與活性，進(jìn)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(xué)院院刊》（PNAS）在線(xiàn)發(fā)表。
肝臟作為重要的內分泌器官，肝臟糖代謝在維持機體血糖穩態(tài)中扮演著(zhù)重要角色。肝臟糖異生過(guò)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(huì )通過(guò)激活PKA通路和增加CREB的磷酸化來(lái)促進(jìn)CREB與其轉錄輔因子CRTC2的結合，進(jìn)而促進(jìn)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(guò)感應氧氣含量的變化來(lái)調節缺氧誘導因子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)變化并調控機體葡萄糖代謝與血糖穩態(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)現禁食能顯著(zhù)增加PHD3的蛋白表達。利用PHD3肝細胞特異性敲除小鼠，分別進(jìn)行禁食和高脂高蔗糖飲食喂養，發(fā)現無(wú)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(guò)其羥化酶活性來(lái)發(fā)揮，研究人員進(jìn)一步構建了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果，表明PHD3參與糖異生的調控過(guò)程依賴(lài)其羥化酶活性。進(jìn)一步的機制研究發(fā)現，PHD3通過(guò)羥基化CRTC2的Pro129和Pro625位點(diǎn)，促進(jìn)CRTC2與CREB結合，增加CRTC2的核轉位與轉錄活性，從而增加糖異生基因轉錄和葡萄糖生成。此外，CRTC2 Pro615位點(diǎn)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(zhù)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態(tài)調控中均發(fā)揮重要作用。
該研究發(fā)現糖異生關(guān)鍵轉錄因子CRTC2是PHD3新的下游底物，羥基化修飾增強了CRTC2的核轉位與活性，從而增加糖異生基因的表達和肝糖輸出。同時(shí)，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，AMPK通過(guò)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(guò)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）調節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(xué)院上海營(yíng)養與健康研究所李于研究員、西南醫科大學(xué)附屬醫院付文廣教授、青島大學(xué)方靖教授為本論文通訊作者，中國科學(xué)院上海營(yíng)養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(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、上海市市級重大專(zhuān)項、代謝性血管疾病四川省重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放課題、山東省自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金的支持，同時(shí)得到中國科學(xué)院上海營(yíng)養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(guò)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結合并羥基化CRTC2的Pro129和Pro615位點(diǎn)，導致CRTC2的核轉位和CREB/CRTC2途徑激活，促進(jìn)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控。
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