Nat Comm | 刘颖组报道HLH-11/TFAP4响应营养物质水平调控脂质代谢
本文转自BioArt公众号
自然界中的生命体随时都面临着环境的挑战，其中包括食物来源的不稳定。因此，快速精准地感知环境中可被利用的营养物质水平，并根据营养条件的变化对自身代谢作出适应性地调整，对于机体的生存至关重要。脂质是机体储存能量的重要形式。在食物缺乏的情况下，快速有效的分解脂质供能可以为机体提供生存优势，因此该机制在物种间具有保守性【1-7】。饥饿时，机体会通过脂解作用（Lipolysis）或脂噬作用（Lipophagy）将储存的甘油三酯（Triacylglycerols/TAGs）分解成游离脂肪酸（Free Fatty Acids）。游离脂肪酸进而通过β氧化作用（β-oxidation）生成乙酰辅酶A（acetyl-CoA）【8】。与此同时，机体也会协同性地抑制脂质合成--乙酰辅酶A生成脂肪酸进而生成甘油三酯的过程【8】。环境中营养条件的变化能够被机体感知，从而调控上述代谢酶的转录，进行代谢的重编程【3，5，6，9】。在线虫中，编码脂质代谢酶的基因atgl-1，lipl-1，lipl-3，acs-2，fat-7的表达水平可以受到饥饿的调控【6，10-11】。转录因子在调控这些基因的表达上起到了关键作用。有研究表明，转录因子HLH-30/TFEB【3，11】，核激素受体NHR-49/PPARα【5-6】能够在食物缺乏的情况下，通过调节脂质代谢基因的转录，促进脂质的分解供能。然而，营养条件对脂质代谢的调控机制仍需要更近一步的研究。2020年11月24日，北大-清华生命科学联合中心、北京大学分子医学研究所刘颖课题组在Nature Communications 发表了题为“HLH-11 modulates lipid metabolism in response to nutrient availability”的研究论文，揭示秀丽隐杆线虫转录调控蛋白HLH-11及其哺乳动物同源蛋白TFAP4能够响应营养状态，调控脂质代谢。该研究表明，HLH-11对脂质分解相关基因的表达具有转录抑制作用。饥饿能够引起HLH-11蛋白水平下调，从而激活脂质分解代谢基因的转录，促进脂质分解。HLH-11的哺乳动物同源蛋白TFAP4也具有同样的功能。
当环境中可被利用的营养物质不足时，机体需要及时准确地调控自身代谢水平以维持生存。和高等动物相同，线虫的能量以脂质的形式储存，并且在饥饿情况下脂质会被分解利用。编码脂质水解酶的基因lipl-3和编码脂酰辅酶A合成酶的基因acs-2的转录水平在饥饿之后会被上调【6，11】。依据这一特性，该研究团队构建了Plipl-3::gfp和Pacs-2::gfp的报告虫株进行遗传筛选，发现HLH-11能够影响lipl-3和acs-2这两个脂质代谢基因的表达。
图1. HLH-11影响acs-2 和 lipl-3 的转录表达。（A.线虫在饥饿之后脂质积累减少；B. Plipl-3::gfp和Pacs-2::gfp报告虫株在饥饿之后荧光上调；C. HLH-11调控 lipl-3 和 acs-2 的转录。）
hlh-11 编码一个 bHLH 家族的转录因子，其蛋白产物主要定位在线虫的肠道细胞，神经细胞，和分泌细胞的细胞核。线虫的肠道是负责营养消化吸收的重要场所，也是饥饿应激反应发生的场所之一。研究团队通过组织特异性回补实验发现，受gly-19 启动子驱动从而在肠道系统表达的 HLH-11 可以抑制 hlh-11敲除引起的 Pacs-2::gfp 荧光上调， 而在分泌细胞（Ppgp-12）或者神经细胞（Prab-3） 表达的 HLH-11 则不可以。以上结果表明， hlh-11 主要是在肠道细胞发挥功能，调节了脂质代谢基因的表达。
图2. HLH-11 组织特异性回补。（A. 在携带 hlh-11 突变的 Pacs-2::gfp 虫株里回补由 hlh-11 启动子（Phlh-11），肠道特异gly-19 启动子（Pgly-19），分泌细胞特异 pgp-12 启动子（Ppgp-12），神经细胞特异rab-3 启动子（Prab-3） 表达的 HLH-11 的荧光图像。B. A图的定量分析结果。）
为了满足机体在不同的营养条件对代谢的需求，参与代谢过程的酶需要彼此协同。研究团队进一步通过mRNA-seq分析了HLH-11对脂质代谢基因的调控，发现编码脂噬作用中脂质分解代谢酶的基因lipl-1，2，3，4，6和大部分编码β氧化作用中脂酰辅酶A合成酶和脂酰辅酶A脱氢酶的基因，在hlh-11突变虫株里都有明显上调，说明HLH-11抑制了脂质分解代谢相关基因的转录。
图3. hlh-11突变导致脂质分解代谢基因转录上调。
研究团队在对HLH-11及其哺乳动物同源物TFAP4进行表型分析时发现：在线虫里，hlh-11的突变会导致线虫脂质积累的减少；而在人源肝脏细胞系HepG2里，通过siRNA敲低TFAP4的表达，细胞的脂质积累同样是减少的。说明，HLH-11/TFAP4调节脂肪积累的功能在物种间具有保守性。
图4. HLH-11/TFAP4调节脂肪积累。（A.hlh-11突变导致线虫脂质积累减少；B.通过siRNA敲低TFAP4导致HepG2细胞脂质积累减少。）
脂质的合成和分解在转录层面受到营养条件的调控，而HLH-11/TFAP4能够抑制脂质的分解代谢。因此，研究团队进一步分析了HLH-11/TFAP4是否介导营养条件对脂质代谢的调控。通过对线虫和细胞里HLH-11/TFAP4的表达水平分析发现：HLH-11/TFAP4的表达水平在饥饿之后都是下调的。说明HLH-11/TFAP4能够响应营养条件调节脂质代谢。
图4. HLH-11/TFAP4表达水平在饥饿之后下调。（A.饥饿导致HLH-11蛋白减少；B. 饥饿导致TFAP4蛋白减少。）
综上，该研究揭示了秀丽隐杆线虫中HLH-11和哺乳动物细胞中TFAP4能够响应营养状态，调节脂质代谢。营养的不足会导致 HLH-11/TFAP4蛋白水平的减少，从而解除了HLH-11/TFAP4对脂质分解代谢基因转录表达的抑制，促进脂质分解，最终导致机体脂质积累减少。在现代社会，与肥胖相关的疾病是人类面临的重大健康威胁。对 HLH-11/TFAP4 响应营养条件从而调节脂质代谢的研究将有助于发现脂质代谢疾病的治疗方法。
北京大学前沿交叉学科研究院、北大-清华生命科学联合中心博士研究生李怡为论文第一作者，北大-清华生命科学联合中心、分子医学研究所刘颖研究员为论文的通讯作者。分子医学研究所博士后丁晚秋、研究员李川昀参与了论文的部分工作。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19754-1
1.Fontana, L., Partridge, L. & Longo, V.D. Extending healthy life span--from yeast to humans. Science328, 321-326 (2010).2.Fontana, L. & Partridge, L. Promoting health and longevity through diet: from model organisms to humans. Cell 161, 106-118 (2015).3.Settembre, C. et al. TFEB controls cellular lipid metabolism through a starvation-induced autoregulatory loop. Nature Cell Biology 15, 647-658 (2013).4.Bauer, M. et al. Starvation response in mouse liver shows strong correlation with life-span-prolonging processes. Physiol Genomics 17, 230-244 (2004).5.Van Gilst, M.R., Hadjivassiliou, H., Jolly, A. & Yamamoto, K.R. Nuclear hormone receptor NHR-49 controls fat consumption and fatty acid composition in C. elegans. PLoS Biology 3, e53 (2005).6.Van Gilst, M.R., Hadjivassiliou, H. & Yamamoto, K.R. A Caenorhabditis elegans nutrient response system partially dependent on nuclear receptor NHR-49. Proceedings of the National Academy of Sciences102, 13496-13501 (2005).
[下载]