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改写经典—清华大学科学家揭示胰岛素信号通路中调控糖原合成新机制

发布时间:2019-12-17 15:18 |  点击次数:

2019 年 9 月 24 日,清华大学李蓬课题组在 Cell Reports 上发表了题为「The protein phosphatase 1 complex is a direct target of AKT linking insulin signaling to hepatic glycogen deposition」的研究论文,报道了 PP1 复合物作为营养感知器,独立于 GSK3 介导胰岛素刺激下肝脏糖原合成的调节机制。

胰岛素是机体调节血糖吸收、促进合成代谢 (anabolic metabolism) 最关键的激素,可以促进糖原、脂肪、蛋白质合成。糖原和脂肪可被用于能量贮存;糖原是最先被机体利用的能量储备:比如在运动时,肌肉糖原可以作为快速的能量来源,供肌肉细胞产生 ATP;而肝脏中糖原负责在饥饿或能量缺乏时补充血糖,使之维持稳定浓度。但是糖原代谢里一个长期悬而未决的问题,胰岛素是如何激活糖原合成的?甚至在最新版(第七版)的 Lehninger 生化教科书中,也只是指出需要一个「insulin-sensitive protein kinase」,但不知其身份。虽然胰岛素-AKT 可以通过抑制激酶 GSK3、降低糖原合成酶 GS 磷酸化来促进糖原合成,但是这条调节通路的作用非常有限,因为 GSK3 的磷酸化位点突变后不影响糖原合成。并且,GSK3 调控糖原合成是通过双抑制作用而起作用,目前我们的认识里还缺乏一种主动糖原合成调控的机制。虽然已知胰岛素还通过激活磷酸酶 PP1,进而调节多个关键糖原代谢酶,然而由于对 phosphatase 调节研究的困难,领域内只能猜测却难以发现这个调节 PP1 磷酸酶的「insulin-sensitive protein kinase」。

PP1 (protein phosphatase1) 对糖代谢具有重要作用,参与调节多个糖原代谢酶活性,包括 GS、GP 和 GPK。PP1 全酶由一个催化亚基 (PP1c) 和一个调节亚基 (PPP1R) 组成。已知 PPP1R3 家族作为特殊的一类调节亚基可以把 PP1 靶向到糖原代谢过程,该家族包括 7 个成员,PPP1R3a-g。尽管一些研究表明 PPP1R3 成员参与调节肝脏糖原合成和积累,但是具体的机制究竟是如何呢?

针对这个问题,李蓬团队首先通过生物信息学分析磷酸化蛋白组数据库数据,找到了 10 个候选蛋白,可能是 AKT 新的磷酸化底物,同时也参与调节糖脂代谢。随后通过生化实验鉴定出 PPP1R3 g 是 AKT 一个新的直接底物,同时结合质谱分析发现 S79 是 PPP1R3 g 的 AKT 磷酸化位点。其后,课题组发现在胰岛素刺激下 PPP1R3 g 可以直接被 AKT 磷酸化,更重要的是发现生理和病理条件下的胰岛素信号与 PPP1R3 g 磷酸化水平密切相关。更进一步地,课题组发现在胰岛素刺激下,PPP1R3 g 介导糖原合成是不依赖于经典的 GSK3 途径的。接下来,课题组通过敲除和过表达系统在体研究了 PPP1R3 g 磷酸化的生理功能,发现 PPP1R3 g 磷酸化可以加快葡萄糖清除和提高胰岛素敏感性。在机制上,课题组发现 PPP1R3 g 磷酸化可以提升与 p-GS 的结合,进而加快 PP1c 对 GS 的去磷酸化。同时发现了 PPP1R3b 可作为 PPP1R3 g 的下游,通过结合从 PPP1R3 g 上解离下来的去磷酸化 GS,刺激糖原的合成,从而实现对胰岛素信号的传递。


图 1. 胰岛素-AKT 调控 PPP1R3 G 磷酸化促进糖原合成的新机制

本研究回答了本领域近 30 年一直未回答的问题,为新版的生物化学书籍完善提供重要的一笔(图 2)。

图 2. 经典生化教科书中可修改的一笔。左图为 Lehninger Principles of Biochemistry(7th Edition) 中提出的位置激酶,右图则是该研究提供的改写

该论文中,糖原合成酶和糖原磷酸化酶活性的研究均采用放射性方法,利用放射性标记的葡萄糖作为底物,通过检测放射性活度来计算酶的活性。珀金埃尔默提供了从试剂、耗材到检测仪器的完整解决方案,助力中国科学家取得更大成就。