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“此次研究是以肥胖及糖尿病为疾病模型，有望给治疗这类疾病带来帮助。从衔接程度上来讲，我比较看好核因子红细胞 2 相关因子（2NRF2，Nuclear factor erythroid 2-related factor 2）的激动剂、以及 NRF2 基因的有效提送，其有望给糖尿病患者的糖稳态带来可预见的改善。 间接来说，这次成果是否能拓展到慢性内质网应激的疾病，仍需进一步挖掘。另外，FKBP11（FK506 结合蛋白 11，一种 201 氨基酸的单次通过膜蛋白）作为滞留在内质网上的关键酶，我们也在尝试它本身的诱导剂、以及新的递送方式。 同时，关于内质网平台式的建设，我们也期待迎来更多惊喜。”哈佛医学院博士后关东铣表示。 
▲图 | 关东铣（来源：关东铣） 前不久，他和合作者围绕内质网的应激，开展了一项工作。作为进化上高度保守的一个细胞器，内质网在整个细胞的生命过程中、以及以细胞为构架的多细胞高等生物中，都是非常关键的存在。 
（来源：Cell Metabolism） 首先，它是一大类蛋白质翻译和折叠的核心场所，这些蛋白质的流动、归宿、分发和定位等，都在内质网上贴好了“标签”。其次，它是生物大分子脂类成分的生发中心，这关系到整个生物膜系统的储备和流动。 另外，内质网还是一系列活性物质与离子的重要存储基地，比如非常有名的钙离子等。人们常讲生命在于运动，这个动往往有一个附加的元素，即信息的流动和交换。 这时，内质网好比一个平台，几乎所有信息都从这而过，尤其是事关细胞与外界发生联系的各种“对话”。然而，一旦平台消极罢工或是超负荷运转状态，就会产生信息紊乱，各种疾病可能也会接踵而来。 好在人体包含一套有效的监督系统，姑且称之为内质网应激系统，即未折叠蛋白反应（UPR，Unfolded Protein Response）信号感应通路。其包括 IRE1/xbp1 通路、PERK/elf2/ATF4 通路和 ATF6 剪切转位通路。 其中： - lIRE1（Endoplasmic reticulum（ER）to nucleus signalling 1）是一种内质网跨膜传感器，可通过激活未折叠蛋白反应，从而维持内质网和细胞的功能；
- lxbp1 则指的是 X- 框结合蛋白 1（X-Box Binding Protein 1）；
- lPERK 指的是蛋白激酶 R 样内质网激酶（Protein kinase R（PKR）-like endoplasmic reticulum kinase）；
- lelf2 则指 E74 样因子 2（E74-like factor 2 (ets domain transcription factor）；
- lATF4 指的是转录激活因子 4 重组蛋白（Recombinant Activating Transcription Factor 4）；
- lATF6 则指的是转录激活因子 6 重组蛋白（Recombinant Activating Transcription Factor 6）。
据介绍，xbp1 支路的一个重要功能是入核启动一系列的分子伴侣及相应的蛋白，进而扩大内质网的容量和工作效率。同时，PERK 分支会尽量压缩蛋白质的翻译，以期达到缓解内质网工作负荷的效果。实在无法缓解时，则会启动细胞凋亡通路。起初，关东铣所在的实验室发现，内质网应激与肥胖及 2 型糖尿病直接相关。通过进一步的机制探索，该团队发现原来 xbp1 虽然被内质网应激所激活，但是却不能够有效入核，从而被阻隔在外围、而不能完成组织交给的任务。这样一来，长期处于失控状态的 UPR 信号，就会无法阻止背后的疾病进程。基于此，课题组最初提出的一个科研问题是：既然 xbp1 不能顺利完成工作，那么如果搞定其下游的某些关键接力者和对应的工作机制，似乎可以绕过 xbp1，直接来个弯道超车。于是，他们开始挖掘 xbp1 下游的靶基因。同时，其也在肥胖及 2 型糖尿病小鼠模型中发现，排在很靠前的靶基因 list 中 FKBP11 的表达严重缺失，进而将 FKBP11 进行锁定。由于 KFBP11 在肥胖与糖尿病模型中处于缺失状态，所以该团队试着重新回补 FKBP11 到正常剂量。结果发现，疾病模型小鼠中紊乱的糖代谢被显著地改善，而其他比如体重、摄食等常规代谢指标保持不变。这个特异的表型，让研究人员感到非常意外。在进一步探索机制时，最初该团队对 FKBP11 的估计并未跳出常规思路，认为它可能还是在缓解内质网应激的某个环节，扮演着独特的角色。于是，研究人员“直奔”内质网应激。结果却发现，回补 FKBP11 在改善糖代谢的时候，IRE1 的活性依然是满负荷地工作，PERK 的磷酸化程度甚至出现升高。这些直接说明内质网应激并没有得到一定程度的缓解。同时，这也是第二个让课题组感到意外的实验现象。为进一步弄清其中缘由，该团队借助全基因转录组学和匹配，启动了子区域活性转录因子的大数据分析。随后发现，NRF2 被 FKBP11 的回补效应高度富集，这进一步证实 NRF2 的蛋白水平和活性的确有被 FKBP11 升高。而后续对 NRF2 的操控，果真影响了 FKBP11 回补所带来的糖稳态改善。可以说，NRF2 对 FKBP11 的转接，是第三个让课题组感到意外的地方。据悉，NRF2 曾被认为是 PERK 激酶的靶分子，结合前面观察到 PERK 的磷酸化升高，该团队“水到渠成”地认为，FKBP11 可能直接参与了对 PERK 的调控，进而转接到 NRF2。尤其是 FKBP11 还能直接和 PERK 相互作用，这进一步强化了上述假设。在工作原理的解释上，由于 FKBP11 是一个顺反异构酶。因此，课题组认为 FKBP11 可能对 PERK 的顺反异构有所调节。但在回补 FKBP11 时，却几乎没有看到 PERK 本身在顺反异构上有所反应。但是，这一次意外却让有待完善的假设得到判定。整体来说，此次研究是一个不断修正假设、和拓展认知的过程。▲图 | 相关论文（来源：Cell Metabolism）审稿人一致认为，该研究发现了由 XBP1 转录调节的 FKBP11 在肥胖小鼠肝脏中的严重降低，而恢复 FKBP11 的表达则启动了非经典的 UPR 信号，诱使 PERK 从 elf2/ATF4 转向到 NRF2 上来。这能在不改变内质网应激、摄食及体重的情况下，建立葡萄糖稳态的新平衡。这些发现非常新颖，也让人感到意外，并有望为治疗内质网应激为特征的疾病开辟新思路。如前所述，该团队最初的主要目标是奔着缓解内质网应激去的，所以结合肥胖糖尿病小鼠模型，其试图挖掘一些 xbp1 的靶基因。在靶基因的选择上，他们面临着机遇和风险高度并存的局面。靠前的靶基因有很多，但要么是新颖性较低，要么在疾病模型中没有差异。综合两方面的因素，他们最终选定了 FKBP11。接下来，课题组首先关心的就是 FKBP11 在疾病发生或者发展中的功能，这也是此次项目的核心意义所在。期间，研究人员也曾纠结过。比如，他们在疾病模型中发现的功能，在正常小鼠中几乎没有。所以，内质网应激的长期存在是个大前提。同时，该问题的存在有利也有弊。如果从研究出发点来看，在正常小鼠上的表型缺失，会影响到研究对象的科学重要性。但是，对疾病模型反应的特异性，又会给未来的疾病治疗带来一定优势。很明显，此次的发现显然属于后者。而在回补 FKBP11 的实验上，剂量是个关键因素。高中低的剂量研究人员都做过，但是结果差很多。而当回补到正常剂量的时候，表型最为明显。这让关东铣不得不又一次感叹大自然进化力量的鬼斧神工，多一分少一毫都不是恰到好处。还有一个值得说道的便是对照实验，做实验时对照组设计得不好，结果将会非常糟糕。此次研究涉及到的 FKBP11，是一个滞留内质网的蛋白，在找对照的时候课题组也犯过嘀咕。如果随便找个常用的、比如绿色荧光蛋白作对照，那它肯定不在内质网滞留。而他们研究的对象正是内质网应激。而要是在细胞质中通过表达绿色荧光蛋白来对照，就会严重影响到对内质网应激程度的评判。因此，对于研究内质网应激来说，合理的定位、合适的剂量万分重要。而这些往往是通过阅读文献所难以学到的。这也充分说明，实践才能检验出真理。后续，就和本次研究直接衔接的机制，该团队希望能有进一步的突破。比如，XBP1 为什么不能顺利入核？一旦搞清楚将有望从源头上解决问题。其次，FKBP11 的酶活到底重不重要？回补 FKBP11 的获益，到底跟酶活有多大关系？FKBP11 是怎样让 PERK 不走寻常路，即从经典的 elf2/ATF4 转变到 NRF2 上来的? 这些都是课题组后续要挖掘的问题。关东铣说：“事实上，我们已经让一个全新的科学问题得以暴露出来。蛋白质顺反异构的形式可能和多种疾病相关。比如在应激关键蛋白 PERK 在肥胖糖尿病模型中，内质网大量采用顺式结构，而在正常条件下则以反式结构居多。此外在神经疾病中，Tau 蛋白（microtubule-associated protein tau）的顺式结构也被认为是致病的关键原因；朊病毒的结构也更是类似。”基于此，蛋白质顺反异构的感应系统的工作机制，将是课题组的又一研究对象。“同时，这也将是非常有吸引力的研究领域。”关东铣最后说道。参考资料： 1.Herrema, H., Guan, D., Choi, J. W., Feng, X., Hernandez, M. A. S., Faruk, F., ... & Ozcan, U. (2022). FKBP11 rewires UPR signaling to promote glucose homeostasis in type 2 diabetes and obesity. Cell Metabolism, 34(7), 1004-1022.
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