Bridging Metabolome and Health

Nature:翻译后调控米色脂肪产生的新发现

2022年8月,贝斯以色列女执事医疗中心等单位的相关研究人员在《Nature》(IF: 69.5)上发表了题为“Post-translational control of beige fat biogenesis by PRDM16 stabilization”的研究论文,鉴定出PR结构域蛋白16(PRDM16)的E3泛素连接酶,以及PRDM16蛋白稳定性对米色脂肪产生的影响及相关机制。

亮点概述:
  • CUL2-APPBP2 E3泛素连接酶复合物催化PR结构域蛋白16PRDM16)的多泛素化和降解

  • CUL2-APPBP2 的抑制延长了PRDM16蛋白的半衰期,导致产热基因的细胞自主激活以及脂肪细胞中促炎/纤维化基因的抑制。

  • 常染色质组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶1(EHMT1)通过与APPBP2竞争直接结合PRDM16并阻断 PRDM16 多泛素化来稳定 PRDM16 蛋白。

研究背景:

现有证据表明,棕色和米色脂肪组织对代谢疾病具有保护作用。PR结构域蛋白16(PRDM16)通过与转录和表观遗传因子形成复合物,是米色脂肪产生的主要激活因子,是改善代谢健康的有吸引力的靶点。然而,靶向转录因子是一个重大挑战,除非存在特定配体。确定蛋白质降解机制,即E3泛素连接酶提供了实质性进展,因为它提供了一种替代途径来操纵感兴趣的特定转录途径。

值得注意的是,一些观察表明PRDM16在翻译后水平上受到动态调节。例如,PRDM16蛋白表达在老化过程中降低,其mRNA表达没有变化。相反,常染色质组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶1(EHMT1)的过度表达或过氧化物酶体增殖物激活受体-γ(PPARγ)的合成配体的慢性治疗延长了PRDM16蛋白的半衰期,并增强了脂肪组织的产热。然而,PRDM16蛋白降解的潜在机制尚不清楚。

Neddylation修饰是一种类泛素化蛋白翻译后修饰方式,它通过三级酶联反应将类泛素小分子NEDD8共价耦联到底物蛋白上,进而影响底物蛋白的稳定性、构象和功能等,调控诸多生物学过程。

研究人员观察到,MLN4924(Nedd8激活酶(NAE)的小分子抑制剂)高度增加了PRDM16蛋白水平,而不是mRNA水平。研究人员随即寻找PRDM16蛋白的E3泛素连接酶复合物,发现在cullin–RING家族成员(CUL1–7)中,只有CUL2共表达降低了PRDM16蛋白表达,而不影响PRDM16 mRNA水平,脂肪细胞中CUL2的过度表达也有相同结果。此外,Cul2缺失显著延长了PRDM16蛋白的半衰期。通过 Cul2 消耗稳定 PRDM16 蛋白可显著影响初级和永生化脂肪细胞中的下游代谢级联而不影响脂肪生成,PRDM16激活棕色/米色脂肪选择性基因程序和线粒体支链氨基酸(BCAA)和脂肪酸氧化,同时抑制脂肪组织炎症和纤维化。重要的是,通过耗氧率(OCR)测量,白色脂肪细胞中的 Cul2 消耗显著增加了总的和解偶联的细胞呼吸。与这些结果相对应的,脂肪细胞中CUL2的过度表达有相反的结果。

CUL2控制PRDM16蛋白质的稳定性和米色脂肪产生

接着,探究人员探究了脂肪细胞中CUL2-RING E3连接酶调节全身能量代谢的程度。为此,研究人员构建了脂肪特异性Cul2敲除(Adipo-Cul2-KO)小鼠。发现脂肪中Cul2缺失可以改善代谢健康,Cul2的脂肪特异性丢失抵消了饮食诱导的肥胖、胰岛素抵抗和血脂异常。

CUL2通过与E2酶、伸长蛋白B (ELOB)、伸长蛋白C (ELOC)和底物特异性受体相互作用而发挥支架蛋白的作用。为了鉴定PRDM16蛋白的特异性底物受体,研究人员对分化的米色脂肪细胞中的CUL2复合物进行免疫纯化,并使用液相色谱结合串联质谱 (LC-MS/MS) 对其进行分析,蛋白质组学数据结合shRNA筛选确定淀粉样蛋白β前体蛋白结合蛋白2(APPBP2)消耗显著增加了分化脂肪细胞中的Ucp1 mRNA水平。随后的蛋白相互作用实验、PRDM16 的多泛素化反应实验以及PRDM16 蛋白的MS和点突变分析验证了CUL2-APPBP2 催化PRDM16蛋白多泛素化的假设。Appbp2的消耗减少了PRDM16的多泛素化并显著延长了PRDM16蛋白的半衰期,此外,Appbp2缺失增强了PRDM16向靶基因的募集,而与PRDM16形成复合物的PPARγ在相同靶基因位点的募集不受影响。这些结果表明,APPBP2是催化PRDM16多泛素化和降解的CUL2-RING E3连接酶复合物中的底物受体。

APPBP2是CUL2复合物中的底物受体,催化PRDM16的多泛素化

研究人员随后验证了脂肪细胞特异性抑制APPBP2促进米色脂肪的生物合成的假设。与Cul2 缺失的结果一致,Appbp2 的缺失导致与对照细胞相比更高的PRDM16蛋白水平,并伴随着棕色/米色脂肪选择性基因的表达增加。Appbp2-KO脂肪细胞含有富含嵴的线粒体,并且相对于对照脂肪细胞表达更高水平的线粒体编码基因。为了确定CUL2-APPBP2的底物特异性,研究人员接着通过蛋白质组学、转录组学、细胞呼吸分析的互补实验证实,APPBP2缺失通过PRDM16 激活米色脂肪。

APPBP2缺失通过PRDM16促进米色脂肪产生

在鉴定CUL2–APPBP2作为PRDM16的E3泛素连接酶后,研究人员探究了PRDM16蛋白稳定性的调节机制,发现EHMT1通过PRDM16的结合界面以剂量依赖性方式从PRDM16复合物中置换APPBP2,重要的是,通过EHMT1募集从PRDM16复合物中置换APPBP2减少了PRDM16蛋白的多泛素化。此外,CUL2–APPBP2的抑制充分延长了PRDM16蛋白的半衰期,并促进了米色脂肪产生。相反,在老年脂肪组织中发现CUL2–APPBP2表达升高,并通过降解PRDM16蛋白抑制脂肪细胞产热。研究人员还发现,脂肪组织中的 CUL2-APPBP2 缺乏可以防止饮食引起的肥胖、葡萄糖耐受不良、胰岛素抵抗、肝脂肪变性和血脂异常。

综上所述,该研究强调了米色脂肪生物合成的翻译后调控以及对代谢健康的影响,通过 PRDM16 蛋白稳定性可调控米色脂肪细胞的生物发生。如何调节 CUL2-APPBP2-PRDM16 相互作用以响应其他病理生理学线索,例如恶病质、荷尔蒙信号和饮食,将是未来研究的重要课题。

CUL2-APPBP2控制 PRDM16蛋白稳定性和米色脂肪生物合成的模型


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