宋保亮李伯良组合作首次揭示了脂质过度累积引发活性氧增多的分子机制丨BioArt特别推荐
BioArt按：脂质（如胆固醇、脂肪酸等）过度累积可引起活性氧（ROS）增多，是引起脂毒性进而导致糖尿病的原因之一，然而过去相当长的一段时间里人们对细胞是如何感受脂质参与的氧化压力调控并不清楚。6月12日， 武汉大学生命科学学院宋保亮教授与中科院上海生化与细胞所李伯良研究员合作在Nature Cell Biology杂志上在线发表了题为“Cholesterol and fatty acids regulate cysteine ubiquitylation of ACAT2 through competitive oxidation”的研究论文，揭示了细胞适应脂质过度累积引起活性氧增多的分子机制，为糖尿病的药物研发提供新思路。此外，自2005年首次报道半胱氨酸残基可以作为蛋白泛素化修饰位点以来，其生理功能一直不清楚，而这项研究也很好的回答了这一重要科学问题。王永建博士为第一作者，宋保亮教授和李伯良研究员为共同通讯作者。
论文解读：
脂质（胆固醇、脂肪酸等）过度累积可引起活性氧（ROS）增多，是引起脂毒性进而导致糖尿病的原因之一【1,2】，然而细胞是如何感受脂质参与的氧化压力调控的，目前并不清楚。
宋保亮教授与李伯良研究员长期合作从事胆固醇代谢调控研究。在过去十多年里，李伯良课题组主要专注于研究胆固醇酰基转移酶(ACAT, acyl coezyme A:cholesterol acyltransferase)基因，并从组织结构、表达调控(包括转录、剪接、翻译水平)和功能模式等方面进行了系统研究，进而探索与胆固醇代谢平衡、动脉粥样硬化(AS)早期病变、老年痴呆症(AD)、高胆固醇血症(HC)等的关系。
ACAT家族基因包括ACAT1、ACAT2基因，1993年由达特茅斯医学院Ta-Yuan Chang课题组克隆【3】。ACAT定位于细胞的内质网膜，是含量极低的膜蛋白，是细胞内唯一催化游离胆固醇与脂肪酸生成胆固醇酯的酶(多聚体变构酶)，是胆固醇及其酯类代谢平衡的关键酶之一【4】。人ACAT1基因在各种组织细胞中广泛表达，而人ACAT2基因主要在肝肠细胞特异表达。
ACAT在胆固醇的吸收、转运、细胞膜功能作用等生理过程发挥极其重要作用。病理上，它在巨噬细胞中大量地合成胆固醇酯，形成泡沫细胞，即AS早期病变；它还影响神经细胞膜内的胆固醇量，直接调节产生A-beta，从而与AD相关；它在肝肠细胞中的活性变化，影响胆固醇酯的合成与血液转运，而与HC相关【5】。因此，它也是重要的药物靶蛋白。但由于它是含量极低的内质网膜蛋白，国际上至今未能纯化其天然型酶蛋白。所以，在基因水平开展的工作，对深入研究ACAT功能机制、胆固醇代谢平衡及其与相关疾病关系，显得极为重要，是目前唯一切实可行的途径。
在这项研究中，宋保亮课题组和李伯良课题组研究人员首先发现，胆固醇和饱和脂肪酸能使胆固醇酯合成酶ACAT2蛋白质更加稳定（下图）。
随后进一步研究表明，胆固醇酯合成酶ACAT2第277位的半胱氨酸残基上发生泛素化修饰可导致其被降解（下图）（E3连接酶gp78，是通过质谱分析ACAT2的互作蛋白鉴定得到的），而细胞内由于脂质过量致使增多的ROS可氧化该半胱氨酸残基，从而抑制了ACAT2的泛素化降解，进而提高ACAT2稳定性和酶活性。
总的来说，ACAT2可将过量有毒的极性脂（胆固醇、脂肪酸）转变为无毒的胆固醇酯，从而改善胰岛素敏感性，表明胆固醇和脂肪酸调控ACAT2泛素化降解具有重要的功能效应。该研究揭示了细胞适应脂质过度累积引起活性氧增多的分子机制，为糖尿病的药物研发提供新思路。此外，自2005年首次报道半胱氨酸残基可以作为蛋白泛素化修饰位点以来【6】，其生理功能一直不清楚，而这项研究也很好的回答了这一重要科学问题。
胆固醇和脂肪酸调控ACAT2泛素化降解的示意图
说明：本文有关ACAT的部分内容引自李伯良老师的个人网站介绍。
参考文献：
1、Boden, G. Obesity, insulin resistance and free fatty acids. Curr. Opin. Endocrinol. Diabetes Obes. 18, 139–143 (2011).
2、Anavi, S., Hahn-Obercyger, M., Madar, Z. & Tirosh, O. Mechanism for HIF-1 activation by cholesterol under normoxia: a redox signaling pathway for liver damage. Free Radic. Biol. Med. 71, 61–69 (2014).
3、Chang, C. C., Huh, H. Y., Cadigan, K. M., & Chang, T. Y. (1993). Molecular cloning and functional expression of human acyl-coenzyme A: cholesterol acyltransferase cDNA in mutant Chinese hamster ovary cells. Journal of Biological Chemistry, 268(28), 20747-20755.
4、Chang, T. Y., Li, B. L., Chang, C. C., & Urano, Y. (2009). Acyl-coenzyme A: cholesterol acyltransferases. American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism, 297(1), E1-E9.
5、Chang, T. Y., Chang, C. C., Lin, S., Yu, C., Li, B. L., & Miyazaki, A. (2001). Roles of acyl-coenzyme A: cholesterol acyltransferase-1 and-2. Current opinion in lipidology, 12(3), 289-296.
6、Cadwell, K. & Coscoy, L. Ubiquitination on nonlysine residues by a viral E3 ubiquitin ligase. Science 309, 127–130 (2005).
宋保亮，现任武汉大学生命科学学院教授、院长，国家“杰青”和长江学者特聘教授，万人计划科技创新领军人才入选者，国家重大科学研究计划首席科学家。1997毕业于南京大学生物科学与技术系，随后进入中科院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所攻读博士学位，师从李伯良研究员，2002年博士毕业。同年到美国德克萨斯大学西南医学中心从事博士后研究工作，师从Michael S. Brown 、Joseph L. Goldstein和Russell DeBose-Boyd（Michael S. Brown 和Joseph L. Goldstein因发现LDLR及其跟胆固醇代谢与家族性胆固醇血症的关系而获得1985年诺贝尔生理或医学奖）。2005年回到中科院上海生物化学与细胞生物学研究所任PI，期间曾任分子生物学国家重点实验室副主任（2012-2014），生化细胞所所长助理（2013-2014）。2014年始任武汉大学生命科学学院院长。宋老师实验室主要从事与心脑血管疾病发生密切相关的胆固醇代谢平衡调控的研究。首次提出并证明了小肠细胞对饮食胆固醇吸收的分子模型，发现了该途径中的多个蛋白因子（2014，Nature Medicine；2014，J Biol Chem；2011, PNAS; 2008，Cell Metabolism;）；深入探索了内源胆固醇合成的负反馈调控机制—HMGCR蛋白的受控降解(2007, Cell Metabolism；2005，Molecular Cell；2005，Cell Metabolism；2003，J Biol Chem)揭示了肝脏脂质合成与棕色脂肪能量代谢的联系（2012，Cell Metabolism）；构建了基于胆固醇合成负反馈调控途径的筛选体系，并获得了能同时降低胆固醇和甘油三酯的活性化合物白桦酯醇（2011，Cell Metabolism）。这些原创性成果不仅丰富了胆固醇代谢平衡调控的基础理论，并且对研发新型的降脂药物具有重要意义。最近宋老师课题组还在细胞内胆固醇动态运输的分子机制方面获得了突破性的研究成果（2015，Cell），并且发现新型胆固醇共价修饰蛋白（2017，Mol Cell）。宋老师目前还担任JBC杂志编委和JMBC杂志副主编，此外还曾获得过谈家桢生命科学创新奖（2014）、中国青年科技奖（2013）、亚太Arthur Kornberg Memorial Award（2013）、陈嘉庚青年科学奖（首届，2012）等。主要研究方向包括：1）小肠胆固醇吸收的分子途径；2）细胞内胆固醇动态运输的分子机制；3）胆固醇代谢调控的信号转导途径和机理；4）胆固醇代谢的药靶系统及新药研发。实验室的长期目标是揭示胆固醇代谢的分子机制，发展治疗胆固醇相关疾病的新策略。
李伯良，现任中科院上海生化与细胞研究所研究员，首届国家“杰青”获得者。1979年毕业于北京大学生物系生物化学专业，1983年在中国科学院上海生物化学研究所研究生毕业并获硕士学位，曾在美国Dartmouth医学院先1年、后多次短期合作研究(Visiting Scientist，1993-1994、1998、2000、2002)和美国New Jersey-UMDNJ从事研究2年(Research Associate, 1986-1988)。1989年被破格晋升为副研究员，1993年特聘为研究员。 2000年至今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从事研究，任所长(2000-2003)。 2005年至今任中国生物化学与分子生物学学会基因专业委员会主任。李伯良研究员长期从事生物化学、分子生物学、分子遗传学等方面工作，目前主要研究胆固醇代谢平衡的基因表达调控，至今发表研究论文80多篇、综述文章10多篇，发明专利已授权7项、申请中2项，获国家科技进步二等奖1项和中国科学院及省部级科技进步一等奖2项、二等奖2项、三等奖3项。他还曾获得多项省部级和国家级奖励，1995年还获得过香港“求是科技基金会”杰出青年学者奖。在过去十多年时间里，李伯良研究员课题组主要专注于研究胆固醇酰基转移酶(ACAT, acyl coezyme A:cholesterol acyltransferase)基因，开展组织结构、表达调控(包括转录、剪接、翻译水平)和功能模式等研究，进而探索与胆固醇代谢平衡、动脉粥样硬化(AS)早期病变、老年痴呆症(AD)、高胆固醇血症(HC)等的关系。特别值得一提的是，2016年，李伯良课题组与许琛琦课题组合作在Nature杂志上报道了胆固醇酯化酶ACAT1是调控肿瘤免疫应答的代谢检查点，该工作发表后受到广泛关注，并入选2016年度“中国科学十大进展”。
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