Cell Metabolism：PHD3丢失促进骨骼肌的运动能力和脂肪氧化

2020年7月，哈佛医学院、乔斯林糖尿病中心、索尔克生物研究所等单位的相关研究人员在《Cell Metabolism》上发表了题为“PHD3 Loss Promotes Exercise Capacity and Fat Oxidation in Skeletal Muscle”的研究论文，揭示AMPK介导的磷酸化和PHD3介导的羟基化在不同的能量状态下调节ACC2。骨骼肌中PHD3的缺失改善了线粒体脂肪代谢和肌肉对运动应激的反应。

 研究背景 

代谢重组在维持能量平衡中起着重要作用。在许多组织中，通过脂肪酸被氧化使机体能够适应能量紧张的情况，例如营养缺乏、耐寒、氧化应激或运动。但是，响应能量充足条件而维持较低的脂肪酸氧化（FAO）水平的分子机制还不完全清楚。中枢代谢调节剂乙酰辅酶A羧化酶2（ACC2）在细胞能量应激期间被AMP激活的蛋白激酶（AMPK）磷酸化，以减轻其对脂肪氧化的抑制作用。

脯氨酰羟化酶结构域家族（PHDs 1-3，又称EGLN1-3）是脯氨酸残基羟基化的α-酮戊二酸依赖性双加氧酶。ACC2也可以被脯氨酰羟化酶3（PHD3）羟基化，最近的研究发现PHD3低表达的急性髓系白血病细胞ACC2羟基化减少，FAO升高，这就增加了PHD3通过羟基化ACC2直接调节FAO在正常组织中发挥作用的可能性。然而，PHD3是否影响正常生理中的ACC2羟基化和FAO尚未得到研究，这是本研究的重点。

研究人员首先探讨了在营养物质剧烈波动期间PHD3是否会影响ACC2的羟基化和FAO。结果表明，ACC2的磷酸化和羟基化在能量状态相反的情况下发生。ACC2羟基化发生在高能量条件下，并抑制脂肪酸氧化，而AMPK介导的ACC2磷酸化会抑制PHD3介导的羟基化（图1）。

图1. ACC2羟化反应对能量敏感，并且由AMPK负调节

接下来，研究人员检查了PHD3和ACC2羟基化是否对体内营养物质利用率的变化敏感。结果表明，ACC2羟化信号在体内依赖于PHD3，对组织的能量状态敏感，并被AMPK抑制（图2）。

图2. PHD3介导的小鼠组织中的ACC2羟基化

ACC2与PHD3的物理结合可能对细胞营养状况敏感。ACC2是一个280 kDa的多域酶，由N端（NT），生物素羧化酶（BC），羧基转移酶（CT）和生物素羧基载体蛋白（BCCP）域组成。ACC2残基S222和P450分别位于NT和BC域中。之前的结果表明ACC2磷酸化和羟基化之间存在一种逆向关系，研究人员进一步探究其中的机制发现，ACC2的S222磷酸化会破坏ACC2与PHD3的结合，阻碍ACC2的羟基化（图3）。

图3. ACC2磷酸化对ACC2羟化和活性的影响

随后，研究人员利用全身或肌肉特异性PHD3丢失小鼠，探讨PHD3在禁食和运动挑战中的相关性。结果表明，PHD3丢失的小鼠表现出骨骼肌中ACC2羟基化的丧失，并显示出脂肪酸氧化升高（图4）。此外，PHD3的丢失会增加小鼠的运动能力（图5）。

图4. PHD3的丢失导致小鼠肌肉中脂肪酸的代谢增加

图5. PHD3 ^FL：CMV-Cre小鼠的特征

基于支持AMPK与PHD3之间存在反比关系的生化、代谢和体内数据，研究人员最后提出假设：PHD3全身KO小鼠将增加能量消耗和提高运动能力，并通过逐渐增加的倾斜度的代谢跑步机分析对照组和PHD3 丢失小鼠的运动耐力，验证了这个想法。结果表明，骨骼肌特异性PHD3的丢失足以增加小鼠在耐力运动挑战期间的运动能力（图6）。 

图6. PHD3的丢失会增加运动能力

综上所述，该研究首次对PHD3在骨骼肌能量代谢和运动能力中的作用进行了阐述。表明PHD3和AMPK可反向调节脂肪代谢和运动能力。在能量紧张期间，AMPK介导的磷酸化足以抑制PHD3与ACC2相互作用和羟基化。在能量充沛的条件下，AMPK处于非活性状态，ACC未被磷酸化，PHD3能够羟基化ACC2。这些数据确定了AMPK和PHD3之间的意外关联，表明PHD3可以为广泛的代谢性疾病提供治疗靶标，并且PHD3的调节可以改善运动激发过程中的能量稳态和骨骼肌性能。