【学术笔记】胆固醇代谢的调控和新型降脂策略

【学术笔记】Regulation of cholesterol metabolism and novel lipid-lowering strategies

2023年6月16日下午，受北京大学生命科学学院、前沿交叉学科研究院生命科学联合中心孔道春教授邀请，中国科学院院士、武汉大学生命科学学院宋保亮教授在生命科学学院邓祐才报告厅分享了近年来研究组在胆固醇代谢领域的精彩工作。

【摘要】

血液高胆固醇水平是诱发心脑血管疾病的主要风险因素。为了理解胆固醇代谢和心脑血管疾病之间的关系，使心脑血管疾病的高效预防与治疗成为可能，宋保亮教授研究组开展了大量工作，取得了一系列重大突破。宋老师在报告中具体阐述了研究组近期（部分）解决的四个机制问题：

1. 胚胎发育过程中Hedgehog（Hh）信号通路胆固醇参与调控的机制。

2. 哺乳动物细胞中进食-断食转换（Feeding-fasting transition）过程中的胆固醇合成增加-减少转换机制。

3. 去唾液酸糖蛋白受体ASGR1缺陷通过促进胆固醇排泄降低脂质水平的机制。

4. 低密度脂蛋白（LDL）/胆固醇通过细胞内吞运输至线粒体促进类固醇（/固醇类激素）合成的机制。

【精彩回顾】

胆固醇是构成细胞生物膜的基础分子之一。从单细胞生物到多细胞生物，固醇随着生物进化和不断氧化，分子构造形式越来越复杂。目前有一种观点认为，胆固醇合成途径中的中间体并非简单的中间体化合物，而是携带着进化的印迹。它具有构成生物膜微区域、作为胆酸及激素的合成前体，调控发育过程和突触形成等一系列功能。

第一部分，宋保亮教授从调控胚胎左右对称发育的经典Hh信号通路讲起。该信号通路通过“Hedgehog (Hh) -| Patch-1 (Ptch1) -| Smoothened (SMO)”调控轴调控SMO活性。早先的研究发现Hh分子为唯一一种携带胆固醇修饰的形态发生素，但其调控SMO的机制尚不明确。研究组通过多年的发现SMO同样能被胆固醇修饰（修饰位点位于人源SMO-Asp95）。细胞膜受体Ptch1抑制该修饰过程，而Hh与Ptch1结合后Ptch1并解除对SMO的抑制，修饰得以产生。事实上，SMO的半胱氨酸富集区（CRD）会发生自胆固醇化修饰；这种修饰与Hh刺激下SMO定位内体的局部钙离子浓度升高相关。这样就将Hh信号通路与细胞内钙离子释放的反应过程联系了起来。

第二部分，宋保亮教授介绍了研究组长期关注胆固醇合成途径的关键限速酶HMG-CoA还原酶HMGCR的泛素化降解问题。研究组发现在进食状态下，去泛素化酶USP20稳定HMGCR，使其不被泛素化降解。从机制上看，进食后血液中胰岛素浓度和细胞内葡萄糖浓度的增加促使mTORC1激酶复合物磷酸化USP20的S132和S134位点；携带磷酸化修饰的p-USP20被招募到HMGCR处抑制其降解，从而使胆固醇合成增加。

第三部分，宋保亮教授首先介绍了早前发表在《新英格兰医学杂志》上的一项对冰岛人群的遗传学调查显示，去唾液酸糖蛋白受体ASGR1的一种缺陷突变体降低了心脑血管疾病的发生概率。ASGR1专一性地表达于肝脏细胞，介导血液中去唾液酸糖蛋白的内吞和溶酶体降解。宋保亮教授研究组发现Asgr1缺陷使转录因子LXRα得到稳定，进而降低了血清和肝脏的脂质水平。LXRα上调ABCA1和ABCG5/G8蛋白的表达——ABCA1促进胆固醇转移至高密度脂蛋白（HDL）、ABCG5/G8则促进胆固醇外排至胆酸和尿液中。从机制上看，Asgr1缺陷阻断糖蛋白内吞和降解，降低了细胞内氨基酸含量，在抑制mTORC1活性的同时提高AMPK活性。这带来转录和代谢两个方面的影响：一方面，AMPK降低了LXRα的E3泛素化降解酶BRCA1/BARD1的表达；另一方面，AMPK抑制控制脂类合成的SREBP1蛋白的表达。ASGR1中和抗体通过提高胆固醇排泄降低细胞内脂质水平，与市面上广泛使用的降血脂药阿托伐他汀（Atorvastatin）和依泽替米贝（Ezetimibe）具有协同效应。

第四部分，宋保亮教授介绍了研究组的最新研究成果。血液循环中LDL是胆固醇的主要存在形式，通过细胞膜上的LDL受体（LDLR）介导的内吞作用进入细胞。研究组通过全基因组小发夹RNA（shRNA）文库筛选，发现线粒体外膜蛋白磷脂酶D6（PLD6）加速LDLR降解。PLD6水解心磷脂（cardiolipin）为磷脂酸（phosphatidic acid），促进LDL-LDLR进入线粒体。后者LDL被线粒体内的蛋白酶降解，游离的这一过程的机制包括：首先，线粒体外膜蛋白CISD2结合胞质内的LDLR的C末端区域（810-860 aa），将LDLR+囊泡锚定在线粒体上；随后，PLD6通过产生融合型脂质磷脂酸融合物促进LDLR+囊泡与线粒体的融合。值得一提的是，在具体阐述PLD6、CISD2功能的实验中，研究借助免疫印迹、免疫荧光、免疫电镜技术证明二者如何影响LDLR在线粒体中的降解，以及借助LDLR纯化、线粒体纯化等体外生化手段，多角度地、严谨地论证了二者参与LDLR与线粒体的融合现象。

转自：“生命科学联合中心”微信公众号

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