Cell Rep(IF=9.9)|武汉大学宋威团队利用蛋白质组学和代谢组学探究血糖调控作用

动物体内胰岛素和胰高血糖素在维持碳水化合物水平的稳定中发挥着作用。胰高血糖素及其果蝇同源物脂肪动力激素(Akh)的增强反应导致高热量饮食诱导的跨物种高血糖。细胞外信号调节激酶(ERK)级联反应是一个高度保守的丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路,在脊椎动物和无脊椎动物中调节各种生物过程。虽然先前的研究已经表征了转导线性Akh信号转导促进碳水化合物产生的调控成分,但在细胞器水平上对Akh作用的空间阐明在很大程度上仍不清楚。

2023年10月,武汉大学宋威教授团队在Cell Reports(IF=9.9)上发表题为“Peroxisomal ERK mediates Akh/glucagon action and glycemic control”的研究文章。研究人员发现Akh磷酸化细胞外信号调节激酶(ERK)通过钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II(CaMKII)级联反应将其易位到过氧化物酶体,以增加脂肪体内碳水化合物的产生,进而导致高血糖。而Akh受体(AkhR)或ERK缺乏、过氧化物酶体的输入相关ERK滞留或脂肪体内过氧化物酶体失活足以缓解高糖饮食诱导的高血糖。该成果中拜谱生物为其提供白质组学和代谢组学服务,助力发现Akh/胰高血糖素-过氧化物酶体-ERK轴是血糖控制的关键调节因子,为糖尿病治疗中靶向过氧化物酶体ERK提供了新的治疗方向。

Cell Rep(IF=9.9)|武汉大学宋威团队利用蛋白质组学和代谢组学探究血糖调控作用



文章名称:Peroxisomal ERK mediates Akh/glucagon action and glycemic control(Cell Rep.,IF=9.9,2023.10)

客户单位:武汉大学

拜谱提供技术:蛋白质组学和代谢组学

摘要图:




研究内容


研究人员在脂肪体中进行了体内RNAi筛选,确定了Akh反应和血糖控制的生理调节因子,发现了脂肪体ERK对Akh诱导的高血糖至关重要。为了研究Akh如何调节细胞内ERK易位,研究人员用合成Akh处理稳定表达AkhR的S2R+细胞,并使用免疫印迹(图1A和E)、免疫组化(图1B)以及共聚焦(图1C和D)发现Akh增加脂肪体内过氧化物酶体ERK易位。为确认Akh对细胞内pERK易位的影响,使用LC-MS/MS对Akh处理后的细胞裂解物的进行蛋白质组学分析,发现在99种先前建立的过氧化物酶体蛋白中,Akh显着上调了11种蛋白质,同时下调了2种蛋白质,这表明ERK与这些过氧化物酶体蛋白之间的相互作用得到促进(图1E和F)。

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图1| Akh 促进 ERK 的过氧化物酶体易位

(图源:Jiaying Li, et al., Cell Rep., 2023)


接下来研究人员研究了过氧化物酶体ERK易位是否有助于Akh的高血糖作用。过氧化物酶体是关键的细胞器,通过将循环氨基酸和脂肪酸转化为糖异生的底物来介导血糖控制。研究人员利用代谢组学对果蝇幼虫中代谢物的变化进行表征,发现差异调节代谢物的富集分析表明,参与糖酵解、糖异生和氨基酸代谢以及嘌呤代谢等的代谢物高度富集(图2A)。血淋巴中主要参与糖异生的氨基酸,如丙氨酸、苯丙氨酸、精氨酸和天冬氨酸被Akh显着降低,表明它们被消耗。同时,糖异生的底物包括柠檬酸盐、琥珀酸盐、磷酸烯醇丙酮酸和葡萄糖,以及海藻糖6-P和海藻糖在血淋巴中均显着增加(图2B和C)。其中与Akh相关的糖异生氨基酸的减少和糖异生底物的增加均通过敲低ERK得到有效缓解。这些结果均表明Akh通过ERK信号促进氨基酸向碳水化合物的过氧化物酶体转化。随后研究人员敲低了过氧化物酶体调节剂的表达研究Akh相关的过氧化物酶体碳水化合物代谢是否依赖于ERK,结果发现在脂肪体内使用独立的RNAi敲低这些蛋白质的表达会持续降低过氧化物酶体质量并有效消除了Akh诱导的高血糖症(图2D和E),这表明ERK和过氧化物酶体功能在Akh相关碳水化合物代谢中遗传相互作用。

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图2| ERK 相关的过氧化物酶体活性有助于 Akh 作用

(图源:Jiaying Li, et al., Cell Rep., 2023)


研究人员进一步发现过氧化物酶体ERK是高热量饮食诱发的高血糖症所必需的,并且解析了Akh增加过氧化物酶体ERK易位的分子机制, Akh以CaMKII依赖性方式促进过氧化物酶体ERK易位。为探究在果蝇中发现的过氧化物酶体ERK调节是否也有助于哺乳动物胰高血糖素在肝脏中的作用,研究人员用不同剂量的胰高血糖素处理培养的原代小鼠肝细胞,对其进行分析后发现过氧化物酶体ERK和胰高血糖素反应与高热量饮食诱导的高血糖有关。最后研究人员通过比较了糖尿病和非糖尿病肥胖患者的肝脏发现过氧化物酶体ERK与肥胖小鼠和人类的胰高血糖素反应和高血糖高度相关。




拜谱小结


作者进行了体内RNAi筛选,以确定脂肪体内的ERK是Akh诱导的过氧化物酶体,结合蛋白质组学和代谢组学解析了Akh/胰高血糖素-过氧化物酶体ERK轴在果蝇对人类的血糖调控作用。首次发现了Akh通过Ca促进ERK易位到过氧化物酶体Ca2+/MKII信号转导,可增强碳水化合物的产生并引起高血糖。这一过程中拜谱生物提供了蛋白质组学和代谢组学服务,拜谱生物已研发完成并建立了完善成熟的转录组学、蛋白组学、代谢组学以及多组学联合产品技术服务体系,欢迎致电咨询!


参考文献:Li J, Dang P, Li Z, Zhao T, Cheng D, Pan D, Yuan Y, Song W. Peroxisomal ERK mediates Akh/glucagon action and glycemic control. Cell Rep. 2023. doi: 10.1016/j.celrep.2023.113200.



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