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2020年 11月 13日，來自武漢大學宋保亮教授及其團隊在國際頂級期刊 Nature上在線發(fā)表了題為“Feeding induces cholesterol biosynthesis via the mTORC1–USP20–HMGCR axis”的文章。該文章揭示了膽固醇合成調控的新機制。膽固醇合成途徑中的限速酶羥甲基戊二酰輔酶A還原酶（HMGCR）在進食后顯著上調，其中去泛素化酶泛素特異性肽酶20（USP20）磷酸化修飾扮演了重要角色。在這篇文章中，云克隆 8個 ELISA試劑盒受到科研工作者的認可，榮登國際頂級期刊，為科研助力！

研究介紹 

       膽固醇有多種生理功能，但膽固醇升高往往存在患多種疾病的風險，如心血管疾病、糖尿病等。從乙酰輔酶 A（acetyl-CoA）到膽固醇的合成需要經過 30個步驟。其中，3-羥基 -3甲基戊二酰輔酶 A還原酶（HMGCR）是膽固醇合成中的限速酶，嚴格控制膽固醇的生物合成，以防止膽固醇過量損傷機體。這一調控主要通過兩個負反饋途徑：一是固醇誘導 HMGCR降解；二是固醇調控固醇調節(jié)元件結合蛋白（SREBPs）以控制膽固醇合成基因的轉錄。在演化過程中，機體適應了不穩(wěn)定的食物供應環(huán)境。膽固醇的生物合成在禁食（fasting）時受到抑制，在進食（feeding）時增加。然而，其中的分子機制并不清晰。 

       為探究膽固醇合成在不同條件下的分子機制，作者首先檢測了肝臟中 HMGCR、法尼基二磷酸法尼基轉移酶（FDFT1）、羊毛固醇合成酶（LSS）以及 24-脫氧膽固醇還原酶（DHCR24）的表達情況。在夜間禁食后，給小鼠喂食高蔗糖、低脂肪、低膽固醇的食物，以消除反饋調節(jié)的干擾。再投喂后，HMGCR蛋白水平提高約 20倍，而 FDFT1、LSS和 DHCR24蛋白水平提高不到 1倍。編碼這些蛋白的 mRNA增加了 2-4倍。這表明喂食后 HMGCR蛋白不僅轉錄水平提高，而且還涉及到轉錄后修飾。 

       之前的研究表明，固醇升高會引起 HMGCR降解。于是作者進行體內和體外實驗來評估這一機制是否在禁食和重新進食的條件下依然奏效。結果發(fā)現(xiàn)，禁食的小鼠中 HMGCR泛素化比再進食的小鼠要高得多。作者提出了兩種可能：一是禁食小鼠存在能提高 E3活性的因素；二是再進食小鼠有更高的去泛素化酶（DUB）活性。之后，將 CHO-7細胞分別進行 25-HC（刺激 HMGCR泛素化）和 MG132（阻止蛋白降解）處理，然后用肝細胞基質培養(yǎng)免疫沉淀。結果表明，HMGVR泛素化在禁食肝細胞基質中沒有變化，但在再進食的肝細胞基質中顯著下降。這些結果表明，再進食的小鼠肝臟中 DUB活性較高，以保護 HMGCR蛋白免受泛素化降解。

       作者篩選出唯一能作為 HMGCR降解阻斷劑的 USP20。使用 USP20抑制劑 GSK2643943A會增加 HMGCR泛素化，沉默USP20會加速 HMGCR的降解。因為 USP20在肝中高表達，因此作者使用了肝中特異性缺乏 USP20小鼠（L-Usp20-/-）進行實驗。L-Usp20-/-小鼠再進食后肝中的 HMGCR蛋白含量沒有變化，而野生型小鼠 HMGCR含量顯著上升。野生型小鼠再進食后肝臟中膽固醇合成增加了 12.4倍，但 L-Usp20-/-小鼠肝臟中，這一效應降低了 45%。這些結果都表明 USP20是響應進食的肝 HMGCR去泛素化酶。值得注意的是，L-Usp20-/-小鼠的循環(huán)脂質和葡萄糖水平顯著低于野生型。于是作者將野生型小鼠禁食后注射葡萄糖或胰島素，發(fā)現(xiàn)肝臟中 HMGCR表達與葡萄糖和胰島素協(xié)同升高，而USP20水平不變。同樣，在野生型肝細胞中，胰島素和葡萄糖提高了 HMGCR蛋白水平，但在 Usp20缺陷型肝細胞中沒有。胰島素級聯(lián)包括 P13K、AKT和 mTOR。它們的抑制劑都可以阻止 USP20介導的 HMGCR積累?？梢栽诘脱菚r抑制 mTORC1活性的 AMPK，其抑制劑可以通過 USP20恢復 HMGCR穩(wěn)定。這些結果都意味著 USP20可能對 mTORC1下游的胰島素和葡萄糖響應。 

       定量質譜鑒定了集中 USP20磷酸化肽。僅在高糖條件下檢測到 Ser132和 Ser134位點磷酸化，這與之前報道的mTORC1磷酸化蛋白組學的結果相同。作者通過實驗通過胰島素和葡萄糖信號通路調節(jié) USP20的模型：進食誘導的胰島素和葡萄糖信號通路激活 mTORC1，使 USP20在 S132和 S134位點磷酸化。磷酸化的 USP20然后與 gp78結合，通過去泛素化穩(wěn)定 HMGCR，從而增加肝臟中膽固醇的生物合成。

       為了進一步了解 USP20在代謝疾病中的作用，作者對小鼠進行高糖高脂（HFHS）喂養(yǎng)。與野生型小鼠相比，L-Usp20-/-小鼠體重增加少，在肝臟和脂肪組織中脂肪堆積更少，膽固醇和甘油三酯水平更低，并且胰島素敏感性和葡萄糖清除率顯著提高。與鼠糧相比，慢性 HFHS飲食增加了 AKT-mTORC1信號，降低了 AMPK活性。在野生型小鼠中，USP20在 S132和 S134位點的磷酸化顯著增加，HMGCR水平升高，而 HFHS的 L-Usp20-/-小鼠則沒有。這些結果表明，長期食用 HFHS可長期激活 mTORC1，通過磷酸化 USP20提高 HMGCR水平，加重代謝性疾病。不僅如此，肝缺乏 Usp20使 HMGCR降低，HMGCR的降低促使琥珀酸鹽增加，進而刺激生熱。 

       此外，USP20抑制劑 GSK2643943A通過抑制肝臟 USP20和 HMGCR不穩(wěn)定可以改善代謝性疾病。GSK2643943A治療降低了血脂含量，改善了葡萄糖清除率，增加了琥珀酸鹽水平和能量，降低了約 50%的膽固醇生物合成。