Cell Death & Differentiation：郑凌/黄昆揭示GAPDH通过丝氨酸代谢途径防止禁食期间肝脂肪变性

肝脏GAPDH通过丝氨酸依赖性抑制甘油二酯合成，从而防止过度禁食诱导的脂肪变性

2026年3月，武汉大学、华中科技大学的相关研究人员在《Cell Death & Differentiation》（IF：15.4）上发表了题为“Hepatic GAPDH prevents excessive fasting-induced steatosis via serine-dependent inhibition of diacylglycerol synthesis”的研究论文，发现了肝脏甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）是禁食期间肝脏葡萄糖-脂质-氨基酸代谢的核心枢纽，通过调节糖异生底物的优先选择来维持血糖稳定，并调控丝氨酸依赖性的脂质代谢调节。

亮点概述：

Gapdh缺失小鼠在过夜禁食后血糖正常，但出现氨基酸水平下降和肝脏脂质积累加剧。
Gapdh缺失导致丝氨酸水平降低，而补充丝氨酸可通过下调Lipin1来抑制磷脂酸-甘油二酯（PA-DAG）轴，从而缓解禁食诱导的肝脏脂质积累。
敲低Lipin1能够逆转禁食Gapdh缺失小鼠中观察到的肝脏脂质积累效应，进一步证实Lipin1在该代谢调控通路中的关键作用。
在生酮饮食条件下，Gapdh缺失小鼠同样表现出更为严重的肝脏脂质积累，而补充丝氨酸可有效消除这一效应。

研究背景：

禁食诱导的代谢重塑是维持全身稳态的基本过程，对代谢性疾病的干预具有深远意义。肝脏通过调节葡萄糖、脂肪和氨基酸代谢来协调禁食-进食转换，从而维持生理能量和血糖的稳态。在禁食和长期饥饿期间，肝细胞会发生多方面的代谢重编程，包括：1) 葡萄糖通量的重新利用，从糖酵解利用转向通过糖原分解（短期）和糖异生（长期）产生葡萄糖。2) 优先进行脂质氧化，其中游离脂肪酸（FFAs）成为产生ATP和酮体的主要底物来源，或被酯化为甘油三酯（TGs）并储存在脂滴（LDs）中，即所谓的禁食诱导脂肪变性。3) 调动氨基酸储备，蛋白水解产生的氨基酸既可作为糖异生前体，也可进入三羧酸循环参与补给反应。协调这些相互依赖的代谢重构过程的具体机制尚不完全清楚。

甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）催化糖异生和糖酵解中能量消耗与非能量消耗过程分支点的可逆反应，是葡萄糖代谢的重要调节因子。此外，GAPDH还是一种具有多重功能的兼职蛋白，包括抑制细胞内囊泡运输以维持细胞能量稳态，以及参与DNA损伤修复，因此在神经退行性疾病和肿瘤发生中发挥重要作用。尽管数十年来对GAPDH在应激适应和疾病中的多重作用进行了大量研究，但其在正常生理学中的基本功能却出人意料地仍是未知。

研究结果：

研究人员创建了肝细胞特异性Gapdh敲除（Gap^Alb）小鼠，以同窝Gap^fl小鼠作为野生型对照。在生理状态和长期禁食条件下，两组小鼠的血糖水平相当。然而，在短期禁食（4 h）条件下，Gap^Alb小鼠的血糖水平迅速下降，而Gap^fl小鼠的血糖水平则与自由进食条件下的水平相当。而在另一组长期禁食实验（16 h）中，两组小鼠的血糖水平虽相似，但均较其相应的自由进食状态显著降低。这些结果表明，尽管肝细胞Gapdh缺失会损害禁食早期的血糖水平，但机体很快适应其他途径来稳定血糖水平。随后，研究人员对过夜禁食小鼠开展广泛靶向代谢组学分析，发现两组小鼠肝脏中多数糖异生相关代谢物水平相近，仅Gap^Alb小鼠的葡萄糖-6-磷酸降低。该小鼠肝脏甘油-3-磷酸明显下降，但仅在过夜禁食时血清甘油升高。同时其肝脏中甘油激酶（Gk）、甘油-3-磷酸脱氢酶1（Gpd1）的mRNA与蛋白水平均显著上升。为评估在肝细胞中Gapdh缺乏后使用丙酮酸或甘油进行糖异生的能力，研究人员进行体外和体内进行丙酮酸耐受试验（PTT）和甘油耐受试验（GlyTT）。体外实验显示，丙酮酸处理后的Gap^fl小鼠原代肝细胞中观察到葡萄糖生成逐渐增加，而Gap^Alb小鼠则未观察到葡萄糖生成。相比之下，甘油处理这两组小鼠原代肝细胞的葡萄糖生成量均逐渐增加，而在Gap^Alb小鼠中，经体外长期（而非短期）禁食后，发现葡萄糖生成增强。体内实验显示，Gap^Alb小鼠注射丙酮酸后血糖仅略有升高，而注射甘油后血糖迅速升高，但前30分钟内甘油糖异生水平显著降低。

禁食状态下Gapdh缺失小鼠的血糖水平稳定归因于甘油糖异生作用

为了客观地探索禁食16 h的Gap^Alb小鼠肝脏中发生改变的代谢通路，研究人员通过广泛代谢组学分析差异代谢物。与Gap^fl小鼠相比，Gap^Alb小鼠显示出128种显著改变的代谢物。KEGG分析表明，在前10个通路中，有3个与氨基酸代谢有关，包括精氨酸和脯氨酸代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢。根据log₂FC进行排序后进一步表明，丝氨酸、天冬酰胺和甘氨酸是禁食Gap^Alb小鼠肝脏中下调最显著的氨基酸。研究人员通过高效液相色谱（HPLC）检测发现，Gap^Alb小鼠肝脏及血清中丝氨酸、甘氨酸水平显著下降。进一步分析其合成通路显示，禁食16 h时，小鼠肝脏中磷酸甘油酸脱氢酶（Phgdh）和磷酸丝氨酸氨基转移酶1（Psat1）mRNA表达上调、丝氨酸羟甲基转移酶2（Shmt2）下调，但蛋白水平无变化；同时其合成底物3-磷酸丝氨酸显著减少，提示丝氨酸合成受阻。接着使用[U-¹³C]丙酮酸（禁食期间丝氨酸合成的主要碳源）进行碳示踪分析实验结果也表明，GAPDH缺失会破坏禁食状态下小鼠肝脏中从磷酸羟基丙酮酸到丝氨酸的代谢流。

Gapdh缺乏可降低禁食小鼠肝脏中丝氨酸和甘氨酸水平

为了分析丝氨酸如何减少禁食Gap^Alb小鼠的肝脏脂质积累，研究人员对禁食16 h的小鼠肝脏进行脂质组学分析。与Gap^fl小鼠相比，Gap^Alb小鼠显示出11种脂质亚类丰度存在差异，包括两种显著上调的亚类（甘油二酯（DAG）和TG），以及九种显著下调的亚类（磷脂酰丝氨酸（PS）、磷脂酸（PA）、溶血磷脂酰乙醇胺（LPE）、溶血磷脂酸（LPA）、溶血磷脂酰胆碱（LPC）、磷脂酰胆碱（PC）、烷基PC（PC-O）、鞘磷脂（SM）和己糖神经酰胺（HexCer））。在禁食Gap^Alb小鼠中，丝氨酸补充逆转了PA、DAG和TG中大多数脂质种类的变化，同时也逆转部分SM、LPC亚类的变化。然而，在所检测的LPC和SM合成相关酶的mRNA水平中，仅磷脂酰丝氨酸特异性磷脂酶A1（Pla1a）在禁食Gap^Alb小鼠肝脏中显著降低，且丝氨酸补充未能恢复其表达。由于PA、DAG和TG是TG合成中的连续代谢中间产物，丝氨酸补充后肝脏PA水平升高而DAG和TG水平降低，表明PA-DAG合成下调或DAG-PA降解促进可能是丝氨酸处理的禁食Gap^Alb小鼠肝脏TG水平降低的原因。研究人员进一步从RNA测序数据中专门富集TG合成通路。与Gap^fl小鼠相比，禁食Gap^Alb小鼠的肝脏中，催化PA转化为DAG的关键酶Lipin1和Lipin2表达上调，而丝氨酸处理逆转这些变化。qPCR检测证实RNA测序结果中观察到的变化，而仅Lipin1的蛋白水平在禁食Gap^Alb小鼠中显著升高，并在丝氨酸处理后下降。

补充丝氨酸可通过抑制Lipin1减少禁食Gap^Alb小鼠肝脏DAG合成从而缓解脂质积累

为了验证Lipin1是否在Gap^Alb小鼠禁食诱导的脂质积累中起关键作用，研究人员通过静脉注射携带Lipin1靶向shRNA的AAV（AAV-shLipin1）。注射四周后，Gap^Alb小鼠肝脏中Lipin1的mRNA和蛋白质水平成功降低。与对照组相比，经AAV-shLipin1处理的Gap^Alb小鼠在禁食16 h后，体重和血糖水平相似，但肝脏体积减小且呈正常的红褐色。同样，与禁食对照组小鼠相比，经AAV-shLipin1处理的Gap^Alb小鼠的肝脏与体重比、LD面积和肝脏TG水平显著降低，但血清TG水平相似。

在Gap^Alb小鼠肝脏中敲低Lipin1可缓解禁食诱导的肝肿大和脂质积累

生酮饮食（KD），包括长链甘油三酯生酮饮食（LCT-KD）和中链甘油三酯生酮饮食（MCT-KD），模拟了禁食的代谢。在MCT/LCT-KD喂养下，与对照小鼠相比，Gap^Alb小鼠表现出体重减轻、血糖水平与对照组相当、肝脏显著增大且颜色变浅、肝重比增加，以及肝脏中脂质积累增多而糖原耗竭的现象。同时，Gap^Alb小鼠肝脏TG水平升高，但血清TG水平未见增加。由于MCT-KD比LCT-KD更具生酮性且耐受性更佳，且其在Gap^Alb小鼠中诱导的表型与禁食条件下高度一致，因此后续实验选用MCT-KD进行研究。与Gap^fl小鼠相比，MCT-KD喂养的Gap^Alb小鼠肝脏中Gpam、Gpat3、Lipin1、Lipin2和Dgat1的表达显著增加，且Gk和Lipin1的蛋白水平有所升高。此外，参与丝氨酸/甘氨酸摄取和合成的基因（如Slc38a1/4、Phgdh和Psat1）上调，而参与丝氨酸/甘氨酸降解和利用的基因（包括Agxt、Glyctk、Ptdss1、Amt、Gcsh和Sardh）则下调。研究人员进一步在MCT-KD喂养的Gap^Alb小鼠饮水中补充5%丝氨酸，结果发现血清和肝脏丝氨酸水平显著升高，且肝脏甘氨酸水平轻微升高，但丝氨酸补充并未影响体重减轻和体重。与丝氨酸在禁食状态下良好的产糖能力一致，丝氨酸在MCT-KD喂养的Gap^Alb小鼠中也轻微上调血糖水平。与禁食条件下的结果一致，丝氨酸补充显著缓解MCT-KD喂养的Gap^Alb小鼠的肝脏脂质积累，并上调Lipin1。