前言：
胆固醇是一种必需的脂质，其合成在营养和能量方面都非常重要。高水平的胆固醇和其他脂质是高脂血症、心血管疾病、非酒精性脂肪肝、肥胖和糖尿病等代谢性疾病的主要危险因素。在哺乳动物中，胆固醇的生物合成在进食后增加，在禁食条件下受到抑制。然而，在禁食-喂养过程期间的胆固醇生物合成的调节机制仍然知之甚少。
武汉大学生科院宋保亮研究团队利用磷酸化修饰蛋白质组学和靶向代谢组学等技术揭示了在进食状态下胆固醇生物合成的调控机制，相关酶的抑制剂可用于降低胆固醇水平，进而作为治疗代谢性疾病的靶点。相关研究结果发表在顶级期刊《Nature》上。
1. 进食诱导HMGCR表达
对照组：8周龄雄性小鼠禁食12小时；实验组：禁食12小时后进行高碳水低脂饮食12小时。每组5只，用肝脏样本进行免疫印记分析。结果显示，重饲后，HMGCR蛋白水平增加了约20倍，FDFT1、LSS和DHCR24的水平增加了不到1倍，而编码这些蛋白的mRNA增加了2-4倍。上述结果表明，进食后诱导HMGCR蛋白表达涉及转录后机制。
我们知道，当甾醇水平高时，HMGCR被E3连接酶gp78泛素化修饰进而降解。作者进行了体外去泛素化试验，结果表明，进食小鼠的肝脏含有更高的DUB（去泛素化酶）活性，这可以保护HMGCR免受泛素介导的蛋白酶体降解。
2. 进食后，HMGCR的诱导需要USP20
作者筛选到UPS20阻断HMGCR降解，进一步构建肝脏特异性的Usp20缺陷小鼠（L-Usp20−/− liver），收集细胞进行免疫印记分析。结果表明，在野生型（WT）小鼠中，重新进食后HMGCH蛋白水平显著增加，但是在L-Usp20−/− 肝脏中没有提高。而磷酸化相关酶的水平在两组中进食前后的趋势是相似的。接下来，作者通过3H标记H2O测量了胆固醇的生物合成。结果发现，在WT肝脏中，重新进食胆固醇合成增加了12.4倍，L-Usp20−/− 与之相比低了45%。这些结果表明USP20是摄食响应的肝脏HMGCR去泛素化酶，其敲除不影响胰岛素和葡萄糖信号通路。3. 胰岛素和葡萄糖调节USP20的功能
众所周知，进食后最显著的标志是葡萄糖和胰岛素循环途径，因此作者将禁食一夜的小鼠腹腔注射葡萄糖或胰岛素。结果显示，胰岛素和葡萄糖显著增加了WT肝细胞的HMGCR蛋白水平，而L-Usp20−/−的HMGCR没有增加。已知胰岛素信号级联包括P13K、AKT和mTOR，AMPK在低糖时抑制mTORC1活性。作者发现AMPK抑制剂在低糖时通过USP20恢复HMGCR的稳定，AMPK激活剂在高糖时废除USP20介导的HMGCR稳定。因此，USP20可能响应mTORC1下游的胰岛素和葡萄糖途径。
4. mTORC1在S132和S134位点磷酸化USP20
为了进一步研究USP20的调控机制，作者对高糖和低糖处理的肝脏细胞进行磷酸化修饰定 量蛋白质组检测，利用Thermo Q Exactive HF液质联用平台检测。结果鉴定到USP20几条差异磷酸化肽，其中Ser132和Ser134残基的磷酸化修饰仅在高糖条件下表达，这与先前报道的mTORC1磷酸化修饰蛋白质组学研究一致。进一步试验后，作者提出了一个工作模式：进食诱导的胰岛素和葡萄糖信号通路激活mTORC1，mTORC1进一步在S132和S134位点磷酸化USP20。然后，磷酸化的USP20与gp78结合，并通过去泛素化稳定HMGCR，从而增加肝脏中胆固醇的生物合成。
5. L-Usp20−/−小鼠的代谢图谱
为了进一步研究USP20在代谢性疾病中的作用，作者以高脂高糖（HFHS）饲料喂养WT和L-Usp20−/−小鼠。与WT相比，L-Usp20−/−的体重增加较少。在体重出现差异之前，HFHS喂养三周后，L-Usp20−/−表现出耗氧量和能量消耗显著增加，体温增加，这解释了其体重增加较低和其他代谢差异的原因。长期食用HFHS会长生代谢性疾病，作者研究了L-Usp20−/−小鼠能量消耗增加的机制。利用Sciex QTRAP 5500液质联用平台对肝脏中的代谢物进行靶向检测，代谢物定量采用多反应监测（MRM）技术。结果显示，L-Usp20−/−小鼠的HMG-CoA显著积累，乙酰乙酸（acetoacetate）虽不显著但也有积累，而琥珀酰辅酶A（succinyl-CoA）显著下降，琥珀酸增加。结果表明，肝脏中Usp20的缺失导致HMGCR水平降低，然后反馈增加琥珀酸，随后刺激生热。
6. USP20抑制剂的作用
作者利用USP20特异性抑制剂GSK2643943A研究USP20的药理抑制作用。GSK2643943A阻碍进食诱导的HMGCR，降低了50%的胆固醇生物合成，改善了葡萄糖清除率，增加了琥珀酸水平和能量消耗。除此之外，作者还研究了GSK2643943A是否可以用于治疗饮食诱导的肥胖和肥胖相关疾病。WT小鼠先饲喂HFHS诱导肥胖，再口服灌胃GSK2643943A。结果体重减轻，主要是减少了脂肪量，肝脏、血清和脂肪细胞的脂质水平显著降低，GSK2643943A表现出更高的能量消耗和葡萄糖清除率。
综上所述，该研究利用蛋白质组学和代谢组学等技术，揭示了一条意想不到的通路：USP20磷酸化连接mTORC1与HMGCR。抑制USP20可能是一种有效治疗代谢紊乱的新思路，包括心血管疾病、高脂血症、非酒精性脂肪肝、肥胖和糖尿病。
参考文献
Lu XY, Shi XJ, Hu A, et al. Feeding induces cholesterol biosynthesis via the mTORC1-USP20-HMGCR axis. Nature. 2020 Dec;588(7838):479-484. doi: 10.1038/s41586-020-2928-y. Epub 2020 Nov 11. PMID: 33177714.
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