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Nat Commun |苏文、张晓燕、管又飞等联合揭示17β羟基类固醇脱氢酶酶(17β-HSD13)磷酸化调控肝脏脂滴代谢和脂肪肝发生的新机制
2022-11-17 10:38  

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)在全球发病率高达30%,在我国患病人数巨大,已成为危害我国人民健康的重大代谢性疾病。NAFLD是以肝细胞弥漫性脂肪变性为特征的临床病理综合征,包括单纯性脂肪肝和非酒精性脂肪性肝炎(NASH)等病理阶段,是肝硬化和肝癌的主要病因,也是2型糖尿病及肥胖等其它代谢疾病和心脑血管疾病的重要危险因子,由于发病机制的复杂性,目前尚无FDA批准的有效药物。脂滴的异常蓄积是脂肪肝的重要病理学特征,旨在减少脂滴发生和发展的策略是目前脂肪肝治疗的新方向。2014年,管又飞团队通过差异蛋白质组学方法首次建立了人类肝脏脂滴数据库,并发现一个新型的肝脂滴蛋白--17β-HSD13。17β-HSD13是17β类固醇脱氢酶家族的一个成员,可能在性激素代谢、脂肪酸代谢和维生素A代谢中发挥重要作用。该蛋白特异性表达于肝脏脂滴表面,其过表达可显著促进脂肪肝的发生和发展,提示17β-HSD13可能在脂肪肝干预治疗中具有重要价值1-3。该发现于四年后被发表于《New England Journal of Medicine》、《Hepatology》等多个专业权威期刊上的大规模人群研究所证实45。随后多种族人群的研究进一步发现人类17β-HSD13编码基因HSD17B13的某些特定的单核苷酸多态性(SNP)与人群慢性肝病的发生、发展有显著相关性。目前,美国Arrowhead和Alnylam公司正在进行靶向HSD17B13的RNAi疗法1期临床试验,初步显示良好效果。然而,迄今为止17β-HSD13的确切功能及促进脂肪肝发生的机制还未阐明。

2022年11月3日,深圳大学医学部基础医学院的苏文研究员、华东师范大学医学与健康研究院的张晓燕教授和大连医科大学金沙乐娱app下载的管又飞教授团队共同合作,在Nature communications上发表题为Phosphorylation of 17β-hydroxysteroid dehydrogenase 13 at serine 33 attenuates nonalcoholic fatty liver disease in mice的研究论文,揭示了17β-HSD13的蛋白磷酸化对肝细胞脂滴代谢的重要调控机制,提出了一种新的靶向治疗NAFLD的有效策略。该联合团队发现在肝细胞内17β-HSD13和肝脏重要水解酶ATGL及其辅因子CGI-58三者间存在动态的结合,PKA信号通路的激活可以使17β-HSD13的丝氨酸33位磷酸化,从而增加CGI-58对ATGL的激活,进而促进脂滴中甘油三酯的水解和线粒体的β-氧化,从而改善肝细胞内甘油三酯的蓄积。

为了研究17β-HSD13的功能,该团队首先利用生物信息学方法分析,发现在不同物种中17β-HSD13存在一个保守的PKA磷酸化位点。借助磷酸化质谱技术和体外激酶实验,该团队进一步证实17β-HSD13是一个新的PKA磷酸化底物,其丝氨酸33位(Ser33)是一个关键的PKA磷酸化位点。随后,作者在Huh7和HepG2细胞上构建了17β-HSD13磷酸化位点失活(S33A)的细胞系,发现相比野生型(WT)17β-HSD13,S33A细胞系显示更大的脂滴;细胞代谢检测发现S33A突变细胞系对PKA信号通路激动剂forskolin响应显著减弱,脂滴水解显著抑制。

为进一步揭示17β-HSD13丝氨酸33位磷酸化位点的功能,研究人员构建了Hsd17b13 Ser33点突变的knock in(S33A)小鼠;发现在基础状态下,该小鼠即自发出现显著的脂肪肝表型,伴有肝细胞内脂滴显著增大、肝脏甘油三酯显著升高,肝酶ALT和AST的明显上升和血浆游离脂肪酸的显著降低。作者进一步纯化了两组小鼠的脂滴,通过对脂滴表面系列脂滴相关蛋白的检测,发现在S33A小鼠中虽然肝脏脂滴水解的重要蛋白ATGL水平增加,但其辅因子CGI-58表达显著降低;通过分子动力学模拟、confocal共定位和IP等实验,作者发现相比野生型小鼠,磷酸化位点突变的 S33A knock-in小鼠肝脏脂滴表面17β-HSD13 S33A和ATGL结合更加紧密,竞争性地抑制了ATGL和CGI-58的结合,使得脂滴水解障碍、甘油三酯蓄积。

随后,研究人员用高脂饮食诱导小鼠NAFLD模型,发现S33A小鼠的肝脏脂质蓄积程度、NASH病理分级指标和肝功能损伤水平显著加重。最后,研究人员用虚拟药物筛选手段发现一个FDA批准的哮喘治疗药物瑞普特罗(β2受体激动剂),可以通过激活PKA信号通路增加17β-HSD13 Ser33位点的磷酸化,并抑制NALFD的发生和发展,进一步提示靶向17β-HSD13 Ser33磷酸化可能是干预NAFLD的潜在药物靶点。

综上所述,此项研究结果不仅证实了17β-HSD13是PKA新的磷酸化底物,也阐明了肝细胞脂滴17β-HSD13丝氨酸33位磷酸化在调控肝脏脂滴代谢中的重要作用,揭示了PKA/17β-HSD13/ATGL信号轴在干预脂肪肝发生和发展中的作用机制,为靶向17β-HSD13治疗NAFLD及相关代谢疾病提供了重要的理论基础。

深圳大学医学部苏文研究员为论文第一作者,深圳大学医学部苏文研究员、华东师范大学张晓燕教授和大连医科大学管又飞教授为本研究的共同通讯作者。

1.Su, W., et al. Comparative proteomic study reveals 17beta-HSD13 as a pathogenic protein in nonalcoholic fatty liver disease.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111, 11437-11442 (2014).

2.Su, W., et al. Liver X receptor α induces 17β-hydroxysteroid dehydrogenase-13 expression through SREBP-1c.American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism 312, E357-E367 (2017).

3.Su, W., et al. Role of HSD17B13 in the liver physiology and pathophysiology.Molecular and cellular endocrinology 489, 119-125 (2019).

4.Abul-Husn, N.S., et al. A Protein-Truncating HSD17B13 Variant and Protection from Chronic Liver Disease.The New England journal of medicine 378, 1096-1106 (2018).

5.Ma, Y., et al. 17-Beta Hydroxysteroid Dehydrogenase 13 Deficiency Does Not Protect Mice From Obesogenic Diet Injury.Hepatology 73, 1701-1716 (2021).

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