2020年11月16日消息,近日,加州大學圣地亞哥分校糖尿病與代謝健康研究所所長Alan R. Saltiel教授團隊在Cell Metabolism雜志發表了題為TANK-Binding Kinase 1 Regulates the Localization  of Acyl-CoA Synthetase ACSL1 to Control Hepatic Fatty-Acid Oxidation 的研究長文,發現TBK1能通過與脂肪酸氧化過程中的關鍵酶ACSL1的結合影響ACSL1的線粒體定位及肝細胞的脂肪酸氧化,并能通過感知營養狀況決定肝細胞中脂肪酸的命運,揭示了TBK1調控肝臟內脂肪代謝的新機制。


脂肪肝治療新依據!加州大學揭示TBK1調控肝細胞脂肪酸氧化的新機制


非酒精性脂肪肝(Nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD)是由于肝細胞內脂肪堆積過多而引起的病變,常作為肥胖導致的并發癥,與II型糖尿病、血脂異常和高血壓等密切相關,NAFLD嚴重時會誘發非酒精性脂肪肝炎 (nonalcoholic Steatohepatitis, NASH) 甚至肝硬化,嚴重威脅人類健康【1】。據統計,我國成人脂肪肝的患病率高達12.5-35.4%,發病率已經排到了肝病的第一位。


肝臟是高等動物脂質代謝的核心器官,肝臟脂肪水平主要取決于游離脂肪酸的攝取和脂類從頭生成,而脂肪酸氧化和極低密度脂蛋白的分泌會導致肝臟內脂肪含量降低。長鏈脂酰輔酶a合成酶ACSL1定位于線粒體和內質網中,是脂肪酸氧化的關鍵酶之一,ACSL1會在線粒體外膜催化脂酰輔酶a的生成,隨后脂酰輔酶a會被CPT1轉運到線粒體基質中完成脂肪酸氧化過程,產生乙酰輔酶a并參與各種生命活動【2】。當脂肪酸氧化和脂質分泌水平低于脂質攝取和合成時,NAFLD就會發生。雖然近年來有關NAFLD的基礎與臨床研究日益受到重視,但脂質穩態、炎癥和肝臟病變之間的潛在聯系及調控機制仍不清楚,NAFLD的治療方案也亟待完善。


越來越多的研究發現肥胖的發生往往伴隨著脂肪組織和肝臟內的輕度炎癥反應,且胰島素抵抗與炎癥之間也存在著很強的相關性,炎癥反應也是NAFLD向NASH過渡的關鍵因素【3】。TANK結合激酶1(TANK binding kinase 1, TBK1)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白,在腫瘤發生、免疫應答和自噬等生命活動中具有關鍵作用,也是脂肪細胞和肝細胞炎癥信號傳導的效應因子,肥胖會導致肝臟中TBK1的活性上升【4, 5】。臨床試驗表明,使用TBK1抑制劑氨來占諾(Amlexanox,一種抗炎抗過敏免疫調節劑)治療后,受試者體內的肝臟脂肪含量能夠降低約20%,然而,TBK1調節肝臟能量代謝的機制尚不清楚。


Alan R. Saltiel教授團隊在炎癥反應與代謝穩態的互作調控領域深耕多年,并通過一系列原創性工作揭示了NFκB信號通路中的非典型性IκB 激酶TBK1是肥胖、胰島素抵抗和脂肪細胞能量消耗減少之間的“聯系紐帶”【4-7】。然而,TBK1在肝細胞中的功能仍知之甚少。為確定TBK1在肝細胞脂肪代謝中的功能,作者首先分析了TBK1在肝細胞中的表達情況,發現禁食處理會誘導肝細胞內TBK1的mRNA和蛋白表達上調,而TBK1的激酶活性在禁食后會降低。高脂膳食(high-fat diet,HFD)處理小鼠后,TBK1的mRNA表達水平與正常飼喂小鼠差異不大,但肝臟內TBK1的酶活性上升。腫瘤壞死因子 (Tumor necrosis factor alpha, TNFα) 具有促炎作用,TNFα處理后脂肪組織中TBK1的表達會發生上調。然而,TNFα處理原代肝細胞后,細胞內一系列炎癥反應相關基因的表達雖然會發生上調,但TBK1的表達未發生變化,其激酶活性上升。因此,禁食處理會使肝臟內TBK1表達水平上升,激酶活性下降,而高脂膳食處理能夠誘導TBK1的激酶活性。


作者在之前研究中發現TBK1抑制劑氨來占諾處理能緩解NAFLD、肥胖及糖尿病等導致的病理反應【8】。在此作者探究了氨來占諾對肥胖小鼠的影響,發現氨來占諾處理8天后肥胖小鼠體重和血糖顯著降低,肝臟重量和肝臟脂肪堆積急劇下降;另一方面,氨來占諾處理會導致TBK1活性降低,與脂類合成有關的基因表達水平下調。氨來占諾處理NASH小鼠同樣會改善其肝臟代謝狀態。因此,抑制TBK1的激酶活性會緩解NAFLD和NASH有關的病理反應。利用肝細胞特異性TBK1敲除小鼠(LTKO)探究TBK1在肝臟代謝中的功能后,作者發現,與外源性氨來占諾處理小鼠不同,肝臟特異性TBK1缺陷會在不誘發炎癥反應的前提下促進小鼠肝臟脂肪積累, 并會導致HFD誘導的肝脂質沉著加重,且在禁食后尤為明顯。


在正常的禁食和喂養周期下,機體能通過平衡合成代謝和分解代謝來維持肝臟脂質水平。為確定TBK1缺陷誘導脂質積累的機制,作者評估了TBK1缺陷小鼠的合成代謝和分解代謝,發現正?;騂FD飼喂并不會導致TBK1缺陷小鼠中與脂類代謝有關的基因表達水平改變,也不會造成TBK1缺陷小鼠極低密度脂蛋白分泌、脂類合成及脂肪酸攝取等發生明顯變化。然而,TBK1缺陷會降低HFD飼喂后禁食處理小鼠的脂肪酸氧化水平,TBK1是禁食狀態下脂肪酸分解代謝所必需的,肝臟能夠通過誘導TBK1表達來調節脂肪酸氧化。


由于線粒體是脂肪酸氧化的主要場所,因此作者研究了肝臟內TBK1缺陷是否會導致線粒體數量或功能異常。雖然正?;騂FD飼喂后LTKO小鼠中一系列與線粒體生物合成有關的基因表達未發生顯著變化,但禁食處理后LTKO小鼠肝細胞線粒體體積變大,數量增多。盡管線粒體數量增加,但脂肪酸氧化受到抑制,說明線粒體數量的差異并不能解釋LTKO小鼠肝臟脂質過度積累這一表型。進一步分析TBK1缺陷導致肝臟脂肪酸氧化受抑制的機制后,作者發現LTKO小鼠禁食處理后線粒體功能正常,且脂肪酸氧化限速酶CPT1及下游脂肪酸氧化通路并未發生異常變化,但長鏈脂酰輔酶a合成酶ACSL1的活性降低,從而導致脂酰輔酶A合成發生障礙。分析TBK1在肝細胞線粒體中的蛋白互作關系后,作者發現TBK1與ACSL1存在互作,且TBK1能通過誘導ACSL1的活性而調節長鏈脂酰輔酶a的合成,進而促進線粒體中的脂肪酸氧化。


那么,TBK1是如何調節ACSL1的活性的呢?一方面,作者發現無論正常小鼠還是LTKO小鼠,禁食處理后肝細胞內ACSL1的活性均會上升,證明TBK1并不能直接調節ACSL1的表達和活性;另一方面,TBK1又能夠與ACSL1形成復合體,調節脂肪酸氧化。據此,作者推測TBK1對ACSL1活性的調節很可能是通過影響ACSL1的亞細胞定位實現的。分離禁食的正常小鼠與LTKO小鼠肝細胞的各亞細胞組分,并檢測TBK1與ACSL1的蛋白表達水平后,作者發現禁食能夠促進ACSL1在線粒體中的表達和定位,且TBK1能作為支架蛋白促進ACSL1重定位到線粒體外膜,促進線粒體中的脂肪酸氧化反應。


由于TBK1抑制劑處理與TBK1敲除的作用相反,作者接下來探究了TBK1的支架功能是否受到TBK1磷酸化狀態(即TBK1活性)的影響。首先,作者利用Co-IP發現ACSL1能與正常TBK1及激酶活性失活的TBK1突變體(K38A)結合,且ACSL1與失活TBK1的結合能力更強,這也證明了ACSL1與TBK1的結合并不依賴于TBK1的催化活性,而TBK1的酶活性甚至抑制了其與ACSL1的結合。其次,通過分析TBK1與ACSL1結合的結構域,作者發現TBK1是通過激酶結構域與ACSL1結合的,該結合作用受到自身磷酸化的負調控。第三,TBK1磷酸化很可能為ACSL1的結合提供了負調控信號,禁食狀態下TBK1磷酸化水平較低,ACSL1與TBK1的結合能力增強;而肥胖狀態下TBK1磷酸化上調,ACSL1與TBK1的結合能力減弱,導致ACSL1向線粒體的轉位受到抑制。


脂肪肝治療新依據!加州大學揭示TBK1調控肝細胞脂肪酸氧化的新機制

論文模式圖


綜上所述,本研究揭示了TBK1能夠作為支架蛋白與ACSL1結合,并通過影響ACSL1的線粒體定位,調控了肝細胞中的脂肪酸氧化過程。禁食會導致肝臟內TBK1活性降低,但會提高TBK1作為支架蛋白與ACSL1的結合能力并促進ACSL1定位到線粒體外膜上,從而誘導脂肪酸氧化。而在肥胖狀態下,TBK1的活性上升,與ACSL1的結合能力變弱,抑制了ACSL1的線粒體重定位及脂肪酸氧化,誘導了脂肪肝的發生。本研究為TBK1抑制劑在脂肪肝治療中的應用提供了理論和機理性證據。


文章來源: BioArt

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