北京大学徐国恒教授JBC文章

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

北京大学徐国恒教授JBC文章

【字体：大中小】 时间：2012年01月20日 来源：生物通

编辑推荐：

　　来自北京大学医学部生理系肥胖与代谢研究室等处的研究人员发表了题为“Lipolysis response to endoplasmic reticulum stress in adipose cells”的文章，发现不同的内质网应激诱导剂，均可有效地刺激大鼠脂肪细胞的甘油三酯分解，这为肥胖和糖尿病等内质网应激状态下血脂紊乱及脂毒性和胰岛素抵抗的发生提供了新的细胞生物学依据。相关成果公布在国际著名期刊JBC杂志上。

生物通报道：来自北京大学医学部生理系肥胖与代谢研究室等处的研究人员发表了题为“Lipolysis response to endoplasmic reticulum stress in adipose cells”的文章，发现不同的内质网应激诱导剂，均可有效地刺激大鼠脂肪细胞的甘油三酯分解，这为肥胖和糖尿病等内质网应激状态下血脂紊乱及脂毒性和胰岛素抵抗的发生提供了新的细胞生物学依据。相关成果公布在国际著名期刊JBC杂志上。

文章的通讯作者是肥胖与代谢研究室徐国恒教授，其2002年底归国，任北京大学医学部生理与病理生理学系, 教授，博士生导师；教育部分子心血管学重点实验室研究员；任北京大学糖尿病中心研究员。徐国恒教授研究组主要研究方向是脂肪分解和脂肪酸运动的分子调控机制，以及肥胖、胰岛素抵抗、泡沫细胞形成的细胞生物学机制。文章的第一作者是博士研究生邓敬娜。

据报道，脂肪组织是机体最大的甘油三酯的储存库。在脂肪酶的作用下，脂肪细胞内甘油三酯水解为甘油和游离脂肪酸的过程，即脂肪分解。脂肪分解反应释放游离脂肪酸，一方面为全身组织提供能量，另一方面调节血中脂肪酸水平和全身能量平衡。脂肪分解过度会导致血中脂肪酸浓度升高，这是肥胖和糖尿病发生胰岛素抵抗的主要原因之一。

内质网也是细胞合成甘油三酯和形成油滴的场所。新形成的小油滴带着一层内质网膜及蛋白质，以出芽的方式转运到细胞浆中。之后，有证据表明内质网与油滴的结构仍然有比较密切的联系，例如内质网通常围绕在油滴单层磷脂膜的外围，并且可能有膜性结构的相互交换。因此，考虑到甘油三酯和油滴生成于内质网，而且转运到细胞浆后依然与内质网关系密切，徐国恒教授的实验室研究了油滴的脂肪分解与内质网应激之间的联系。

在这篇文章中，研究人员证实，不同的内质网应激诱导剂均可有效地刺激大鼠脂肪细胞的甘油三酯分解。这一反应的分子机制是，内质网应激活化了参与脂肪分解调节的两种蛋白激酶信号，增加脂滴包被蛋白和脂肪酶的磷酸化及其活性，由此增加脂肪分解。

近年来有报道称肥胖和糖尿病时胰岛细胞、肝细胞和脂肪细胞均发生很强的内质网应激。徐国恒教授认为，内质网应激时脂肪分解增加，可能是机体产生的一种适应性调节能量平衡的反应机制；但如果内质网应激持续存在，将使脂肪分解和游离脂肪酸释放入血持续增加，最终会导致血脂紊乱、脂毒性和胰岛素抵抗的发生。更严重的是，持续升高的游离脂肪酸会进一步加重内质网应激，后者可继续刺激脂肪分解和脂肪酸释放，陷入恶性循环反馈。因此，这一研究有助于加深对肥胖和糖尿病等内质网应激状态下发生的复杂病理现象的理解。

徐国恒教授自回国后取得了不少中重要的研究成果，比如其研究组曾对阿司匹林等水杨酸类非甾体抗炎药物的新作用及其机制进行了研究，阐明了水杨酸类药物直接抑制肿瘤坏死因子α（TNFα）刺激的脂肪分解即甘油三酯水解效应，这表明，脂肪组织是水杨酸类药物作用的有效新靶点，有助于加深对其复杂的药理作用和机制的理解。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Lipolysis response to endoplasmic reticulum stress in adipose cells

In obesity and diabetes, adipocytes show significant endoplasmic reticulum (ER) stress, which triggers a series of responses. This study aimed to investigate the lipolysis response to ER stress in rat adipocytes. Thapsigargin, tunicamycin, and brefeldin A, which induce ER stress through different pathways, efficiently activated a time-dependent lipolytic reaction. The lipolytic effect of ER stress occurred with elevated cAMP production and protein kinase A (PKA) activity. Inhibition of PKA reduced PKA phosphosubstrates and attenuated the lipolysis. Although both ERK1/2 and JNK are activated during ER stress, lipolysis is partially suppressed by inhibiting ERK1/2 but not JNK and p38 MAPK and PKC. Thus, ER stress induces lipolysis by activating cAMP/PKA and ERK1/2. In the downstream lipolytic cascade, phosphorylation of lipid droplet-associated protein perilipin was significantly promoted during ER stress but attenuated on PKA inhibition. Further, ER stress stimuli did not alter the levels of hormone-sensitive lipase and adipose triglyceride lipase but caused Ser563 and Ser660 phosphorylation of hormone-sensitive lipase and moderately elevated its translocation from the cytosol to lipid droplets. Accompanying these changes, total activity of cellular lipases was promoted to confer the lipolysis. These findings suggest a novel pathway of the lipolysis response to ER stress in adipocytes. This lipolytic activation may be an adaptive response that regulates energy homeostasis but with sustained ER stress challenge, could contribute to lipotoxicity, dyslipidemia, and insulin resistance due to persistently accelerated free fatty acid efflux from adipocytes to the bloodstream and other tissues.

作者简介：

徐国恒医学博士，教授、博士生导师

北京大学医学部生理与病理生理学系

学习工作简历

2004.7-至今北京大学医学部生理与病理生理学系, 教授，博士生导师；教育部分子心血管学重点实验室研究员；任北京大学糖尿病中心研究员。

2002.12-2004.7 北京大学医学部生理学系, 副教授；教育部分子心血管学重点实验室, 肥胖与代谢研究室研究员。

1999.10-2002.12美国国立卫生研究院(NIH)糖尿病消化和肾病研究所(NIDDK), 博士后。

1997.12-1999.10美国国立卫生研究院(NIH)儿童健康与人类发育研究所(NICHD), 博士后。

1995.7-1997.7 北京医科大学神经科学中心, 博士后。

1992.7-1995.7 中山医科大学药理学系神经药理专业，获博士学位。

1990.7-1992.7河南医科大学药理系, 讲师

1987.7-1990.7河南医科大学药理系, 硕士生，获医学硕士学位。

1982.9-1987.7河南医科大学临床医疗系本科，获医学学士学位。

科研项目：

目前承担973项目，国家自然科学基金，北京市自然科学基金，新世纪优秀人才支持计划基金。2004年入选教育部新世纪优秀人才支持计划。

研究方向：

1. 脂肪分解和脂肪酸运动的分子调控机制

2. 肥胖、胰岛素抵抗、泡沫细胞形成的细胞生物学机制

甘油三酯储存在脂肪细胞内的油滴中。Perilipin等几种同源蛋白质分子覆盖在细胞内脂滴表面，参与脂滴的生成转运和储存、及分解调控。脂肪组织甘油三酯水解释放游离脂肪酸到血液和各种组织。脂肪分解异常与血脂紊乱、肥胖、糖尿病胰岛素抵抗密切相关。我们发现Perilipin磷酸化和去磷酸化可门控性调节脂肪分解反应；激素及药物可通过Perilipin调节脂肪酸运动，进而影响胰岛素敏感性。我们研究脂滴包被蛋白及其调控甘油三酯水解的分子机制，并研究生理和病理情况下影响脂肪分解、肥胖、胰岛素敏感性、泡沫细胞形成的细胞和分子生物学调控机制。

研究领域概述：

肥胖：肥胖是发病率迅速增加的代谢性疾病。肥胖合并血糖异常、血脂紊乱、高血压被定义为代谢综合征，是多种疾病集结于单一个体并相互影响的危险状态。肥胖病人易发胰岛素抵抗、糖尿病、心脑血管疾病、和一些恶性肿瘤。肥胖发生的细胞生物学基础是脂肪组织内脂肪细胞的数量和体积增加。成熟的白色脂肪细胞含有一个单房的大油滴，内储甘油三酯。脂肪细胞分化、油滴生成与水解对肥胖的发生发展和控制至关重要。我们的兴趣是研究细胞内油滴和油滴包被蛋白参与甘油三酯水解和游离脂肪酸运动，及其关联的病理过程的细胞和分子生物学调控机制。

细胞内油滴：所有的真核细胞浆中均有大小和数量不等的油滴。一般认为，甘油三酯在内质网内膜合成、聚集、融合形成细小油滴，通过出芽转运而进入胞浆并进一步融合生成较大的油滴。血脂和葡萄糖是胞内油滴合成的起始原料。血脂进入组织细胞后，经水解和重新酯化生成新的甘油三酯和胆固醇酯，储存于细胞浆的脂滴或油滴(Lipid droplet)中。在需要时，胞内油滴储存的甘油三酯或胆固醇酯水解为游离脂肪酸或胆固醇，直接被细胞利用或出胞进入血液。脂肪细胞的油滴是机体重要的能量来源与储库。胞内油滴也为类固醇类激素和质膜的生物合成提供甾体等前体物质。超过机体需要的血脂和葡萄糖转化为油滴导致脂肪细胞内油滴增大，是肥胖发生的基础；油滴数量和大小增加还导致胞内脂质积累如动脉粥样硬化泡沫细胞形成；油滴内甘油三酯的异常水解和释放，可升高血浆游离脂肪酸。血中游离脂肪酸浓度升高参与肥胖、糖尿病胰岛素抵抗、血脂紊乱、和动脉粥样硬化泡沫细胞形成等病理过程。

油滴包被蛋白：胞内油滴被认为是一种具有代谢功能的亚细胞器。油滴的核心是甘油三酯和胆固醇酯形成的脂核。脂滴表面包被单层磷脂膜，Perilipin、ADRP、TIP47(PAT)等几种同源蛋白覆盖在脂滴表。ADRP (adipose differentiated-related protein)是脂肪分化相关蛋白，表达于多种类型细胞；Perilipin蛋白主要表达于脂肪细胞和甾体激素生成细胞。ADRP的过度表达和Perilipin在其他组织的异位过度表达导致胞内脂质积累。Perilipin基因敲除小鼠虽然体重正常，但脂肪组织重量急剧减少70%并能对抗高脂饮食诱发的肥胖；重新将Perilipin基因Knock-in，则脂肪组织恢复。除了PAT家族，还有其它一些蛋白质包被在油滴表面。油滴包被蛋白参与脂滴的生成、融合、转运、储存、和脂肪分解代谢的分子调控。

胞内甘油三酯分解调控：在哺乳类动物，肾上腺素作用于脂肪细胞膜的b受体，激活腺苷酸环化酶升高胞内cAMP，激活蛋白激酶A (Protein Kinase A, PKA)并磷酸化激素敏感的脂肪分解酶(Hormone Sensitive Lipase, HSL)；HSL从胞浆转位到胞内油滴表面，接触并分解甘油三酯底物，从而启动脂肪分解(lipolysis)。长期以来，人们对脂肪分解的认识聚焦于脂肪酶。我们过去对Perilipin基因敲除小鼠的研究表明，PKA刺激HSL由胞浆转位到油滴的表面进而水解甘油三酯，依赖于油滴包被蛋白perilipin的磷酸化。这一研究的重要性在于揭示了脂肪酶HSL接触和分解底物的过程实际上由另一结构蛋白Perilipin调控。在此基础上我们最近报道，抑制蛋白磷酸酶导致Perilipin磷酸化和刺激脂肪分解，此过程并不依赖PKA，也不伴随HSL向油滴表面转位。这提示non-HSL脂肪酶参与的甘油三酯水解反应也以perilipin磷酸化为前提。据此我们提出甘油三酯水解的分子调控模型：非磷酸化的Perilipin包被在脂滴表面，形成一道保护性屏障阻挡脂肪酶接触脂滴，因而抑制脂肪分解；PKA磷酸化perilipin可能引发蛋白构象改变甚至磷脂单层结构变化，导致油滴表面的保护性屏障开放，允许脂肪酶接触并分解油滴内储存的甘油三酯底物。同时PKA可激活蛋白磷酸酶，使磷酸化perilipin逐步去磷酸化回复到初始状态，恢复屏障作用并终止脂肪酶接触和水解甘油三酯；此时，抑制去磷酸化过程使Perilipin处于过度磷酸化状态并诱发强烈脂肪水解。因而，Perilipin可能是启动和终止脂肪分解反应的双向分子开关；PKA和蛋白磷酸酶共同调控Perilipin磷酸化和去磷酸化状态，并由此精确调控脂肪水解。

研究活动：油滴包被蛋白特别是Perilipin可作为分子靶点。改变Perilipin蛋白含量及其磷酸化状态，可调控脂肪分解或脂肪酸运动及相关病理过程。脂肪酸既是甘油三酯分解的产物又是甘油三酯合成和油滴生成的前体。减少游离脂肪酸供应则减少胞内油滴生成，同时油滴包被蛋白ADRP和Perilipin降解。我们发表了Perilipin磷酸化调控甘油三酯水解的分子模型，还报道了油滴包被蛋白Perilipin和ADRP经Proteasome-ubiquitin途径特异降解的分子机制及生物学意义。脂肪组织甘油三酯水解释放游离脂肪酸，游离脂肪酸增加则降低胰岛素敏感性。我们目前研究一些活性物质和常用药物通过调控Perilipin及脂肪分解而影响游离脂肪酸运动的分子机制。我们即将报道热应激脂肪细胞浆内的热休克蛋白HSP70如何集聚在油滴表面，并正在深入研究HSP70向油滴表面转位的细胞和分子生物学机制。我们还利用大鼠整体发热模型和离体热应激脂肪细胞，研究发热伴有血浆游离脂肪酸升高、以及糖尿病并发高热易发胰岛素抵抗等临床现象的细胞生物学基础。研究Perilipin参与泡沫细胞与动脉粥样硬化噬斑形成和稳定性，也是正在进行的课题之一。我们有兴趣筛选减少Perilipin水平或调节Perilipin磷酸化状态的化合物，为开发直接燃烧脂肪的减肥药物，为干预糖尿病胰岛素抵抗以及动脉粥样硬化泡沫细胞形成和噬斑破裂等病理过程提供基础资料。