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2022.12.13 順天堂大学 小胞体中脂质的葡萄糖化反应可以抑制低氧应激导致的细胞死亡—脂质诱导的囊泡胁迫的新细胞应答机制概要 顺天堂大学研究生院医学研究科环境医学研究所平林义雄客座教授(兼任理化学研究所(理研)客座主管研究员)、岩渕和久教授、理研脑神经科学研究中心( CBS )神经细胞动态研究小组Hui-Hing Hung研究员(研究当时)。 笔头作者)上口裕之等团队领导的研究小组，通过与群马大学、sakushi研究所、sunford bernam plavies医学发现研究所、瑞士联邦理工大学洛桑分校的国际共同研究，明确了糖蛋白葡萄糖转移酶UGGT2是脂质代谢控制所必须的，UGGT2引起的脂质糖修饰反应是低氧状态下囊泡体( ER )质量管理系统的必须构成要素。 可以认为，通过ER中脂质的糖基化(糖化反应)，可以抑制由含有饱和脂肪酸的脂质诱导的持续的ER应激导致的细胞死亡。 本论文于美国科学院院报( PNAS，proceedings of the national academy of sciences )于2022年12月13日(日本时间)公开。 本研究成果要点 阐明脂质诱导型应激在囊泡体中的细胞应答机制 发现了防御低氧产生的细胞伤害性脂质导致的细胞死亡的糖修饰反应 为脂质ER应激引起的各种代谢疾病的新诊治提供分子基础 背景 细胞内的蛋白质和脂质的生物合成大部分在被称为囊胞体( ER )的细胞内小器官中进行。 ER的稳态由正确进行蛋白质和脂质代谢的高级管理机构维持，但如果该管理机构受损，则会引起ER压力。 ER应激在糖尿病、阿尔茨海默病、帕金森病、癌症等多种疾病的发病中起着重要作用，了解其管理机制对这些疾病的治疗和预防可以说是非常重要的。 糖转移酶1 (UGGT1 )是蛋白质质量控制( PQC )系统的重要组成部分，它通过糖化不良蛋白质来抑制不良蛋白质的积累。 我们知道高浓度的饱和脂肪酸( sFA )也会引起囊泡应激，引起一种叫做UPR (统一保护响应unfolded protein response)的细胞应答，但迄今为止还没有找到与蛋白质相当的脂质质量控制( LQC )系统。 这次，研究小组以找到与蛋白质相当的脂质质量管理系统为目的，着眼于ER型葡萄糖化脂质的生物合成进行了研究。 内容 细胞膜表面存在着作为细胞分化相关抗原的以长链饱和脂肪酸为主的磷脂酸与葡萄糖结合而成的糖脂“磷脂酰葡萄糖苷( PtdGlc )”。 葡萄糖的存在对生理活性的表达决定性地重要，首先，对糖脂的生物合成酶进行检索的结果，发现了局部存在于ER的生理功能不明的糖转移酶UGGT2。 将纯化后的UGGT2蛋白质和含有饱和脂肪酸作为底物的磷脂酸( sPA )作为葡萄糖供体，在UDP-葡萄糖存在下进行酶反应并对生成物进行质量分析时，虽然发现产生了PtdGlc (图1 )，但没有发现UGGT1的合成活性。
图1囊泡型糖脂的生物合成反应 小胞体中存在的糖转移酶UGGT2，由含有饱和脂肪酸的脂质、磷脂酸生物合成小胞型糖脂、磷脂酰糖苷( PtdGlc )。 产生的糖脂用质谱仪进行鉴定和量化 接下来，为了阐明PtdGlc产生的生理作用，使用缺失UGGT2基因的小鼠胚胎成纤维细胞( MEF )株进行了分析。 着眼于构成PtdGlc的脂肪酸为饱和型，添加将饱和脂肪酸变为不饱和脂肪酸的不饱和化酶( SCD1 )的特异性抑制剂时，正常细胞中PtdGlc显著上升，而UGGT2的缺失细胞糖脂的生成急剧减少，ER压力导致了细胞死亡。 由于SCD1是吸氧性酶，在低氧的环境下饱和型脂肪酸的浓度会上升。 因此，在调查低氧下的UGGT2基因敲除MEF细胞时，发现同样也引起了细胞死亡。为了调查UGGT2作用产生的糖脂为什么在低氧环境下抑制细胞死亡，使用对糖脂特异性反应的抗体调查了PtdGlc的细胞内定位，发现其浓缩在溶酶体膜中。 此外，研究了由UGGT2引起的糖脂合成的缺失为什么会导致细胞死亡，结果显示，在SCD1抑制剂和低氧环境下，UGGT2缺失细胞特异性地激活了ER的应激传感器PERK及其下游信号。 由于其他应激传感器ATF6、IRE1没有变化，因此认为PERK是对饱和型脂质应激有特异性的ER传感器，通过UGGT2糖化sPA来避免脂质诱导的ER应激(图2 )。
图2低氧应激诱导的细胞毒性脂质诱发的ER应激和UGGT2感知.应答机制 饱和脂肪酸( C18:0-CoA )通过氧依赖性酶SCD的作用被转换成不饱和脂肪酸( C18:1CoA )。 低氧环境下，失去其作用，结果具有细胞伤害牺牲活性的饱和型磷脂酸( sPA )增加。 糖化酶UGGT2感知到这一点，合成磷脂酰葡萄糖苷( PtdGlc )。 该ER型糖脂通过自噬途径转运至溶酶体降解系统，降解PtdGlc及其附带的组件，避免ER应激反应。 这些结果表明，ER具有识别细胞伤害性脂质的传感器功能，并且UGGT2引起的脂质葡萄糖化反应经由ER-溶酶体降解途径参与伤害性脂质的清除机制。 今后的发展在这次的研究中，发现了与ER中的糖脂合成相关的转移酶UGGT2与脂质的品质的感知功能相关。 UGGT2是如何识别脂质质量的详细情况尚不清楚，不仅是今后的生化分析，还有待于结构生物学的阐明。 另一方面，持续的脂质压力导致的疾病被认为是2型糖尿病、精神分裂症、癌症的恶性程度等。 今后，通过明确糖脂PtdGlc以及识别其代谢产物的脂质响应性受体GPR55对疾病的干预，期待开发新的诊断预防方法。 用语解说囊泡体( ER )和ER应激: 囊泡体( ER )是面积最大的细胞内小器官，负责几乎所有蛋白质和脂质的生物合成。 来自细胞内外的各种负荷(低氧、代谢、钙离子等)导致不良蛋白质堆积会引起ER应激。 ER的脂双层膜应激，如含饱和型长链脂肪酸磷脂酸的过度积累会导致ER应激导致细胞死亡。 葡萄糖转移酶UGGT1 : UGGT是存在于ER中的葡萄糖转移酶，作为识别由ER合成的糖蛋白的立体结构的保持传感器发挥作用。 脊椎动物、线虫中除UGGT1外，还存在对位基因UGGT2，但其功能长期不清楚。 SCD1 : 以硬脂酸辅酶a为底物，在脂肪酸直链的第9个和第10个之间引入双键的酶，存在于ER中。 要求分子状的氧。 磷脂酰葡萄糖苷( PtdGlc ) : 是以长链饱和脂肪酸为主的磷脂酸与葡萄糖β结合而成的糖脂。 由于构成的脂肪酸主要为饱和型，因此在生物膜上定位于脂质筏上。 虽然是极微量的膜脂质，但由于炎症、低氧等囊胞体压力而产生。 其代谢产物溶菌酶作为感知脂质的受体GPR55的生理配体发挥作用。 原着论文 本文于2022年12月13日在美国发行的学术杂志美国科学院院报( PNAS，proceedings of the national academy of sciences )上公开。 标题: selective involvement of uggt variant:ugg T2 in protecting mouse embryonic fibroblasts from saturated lipid-induced er stress 标题日译: UGGT变异的选择性作用- UGGT2防御饱和脂肪酸诱导的ER应激对小鼠胚胎成纤维细胞 作者: Hui-Hsing Hung 1，Yasuko Nagatsuka 1，Tatiana Soldà 2，Vamsi K Kodali 3，Kazuhisa Iwabuchi 4，Hiroyuki Kamiguchi 1，Koki Kano 5 Kazutaka Ikeda 6，Randal J Kaufman 3，maurizio Molina ri 2，7，Peter Greimel 1，yoshio hira bayashi 4，8 作者: (日语写作) :菲-辛汉1、长冢靖子1、塔蒂亚·纳索尔达2、巴米斯.科达里3、岩渕和久4、上口裕之1、狩野航辉5、松尾一郎5、池田和贵6、兰达尔·考夫曼7、毛里西奥·莫里纳利8、彼得·格雷梅尔1、平林義雄 4、8 作者所属:1.理化研究所CBS；2 .瑞士USI大学；3 .桑福德·伯纳姆普雷维兹医学探索实验室；3 .瑞士联邦理工学院洛桑分校；4 .顺天堂大学研究生院环境医学研究所；5 .群马大学研究生院理工学府分子科学系， 6 .小菜研究所生物分子解析组，7 .瑞士联邦理工大学洛桑分校，8 .理化研究所开拓研究总部 DOI: 10.1073/pnas.2214957119 研究支援 本研究主要通过日本学术振兴会科学研究费资助事业特别推进研究“囊胞糖修饰的综合化学生物学”(统括代表:伊藤幸成)、AMED―CREST“以葡萄糖相关脂质的工作机制为基轴的疾病机制的阐明”(统括代表:上口裕之)进行。另外，向协助本研究的各位表示深深的感谢。 |
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