研究首先發現喂食小鼠高糖低脂食物后，肝臟中膽固醇合成途徑限速酶HMGCR的蛋白量顯著增加（圖1 a）。通過體外生化實驗，證明進食后肝細胞胞質中的去泛素化酶活性增強（圖1b, c）。基于該線索，研究人員逐一克隆表達70多個去泛素化酶，最終篩選到USP20是HMGCR特異的去泛素化酶。

　　圖1. 去泛素酶USP20介導進食誘導的HMGCR蛋白增加。a, 小鼠饑餓或進食后肝臟中關鍵膽固醇合成酶的蛋白水平。Fasted: 饑餓組， Refed：再進食組；b, HMGCR體外去泛素化實驗流程示意圖；c, 體外去泛素化實驗分析HMGCR的泛素化水平；d, 檢測野生型（WT）和肝臟特異性敲除USP20（L-Usp20-/-）小鼠在饑餓或進食后肝臟中相應蛋白水平的變化。

　　組織表達譜表明USP20在肝臟中高表達，在肝臟中敲除USP20基因后，進食誘導的HMGCR蛋白增加就不再發生（圖1d），膽固醇從頭合成的速率也大大降低。表明USP20介導的HMGCR去泛素化是進食誘導膽固醇合成的關鍵因素。

　　研究人員進一步發現，進食后血液中顯著升高的葡萄糖和胰島素協同激活mTORC1激酶，后者在S132和S134位點上磷酸化修飾USP20蛋白。該修飾并不影響USP20酶活性，但促使USP20結合HMGCR蛋白復合物，穩定HMGCR蛋白，上調膽固醇合成。在USP20（S132A/S134A）點突變小鼠（Usp20KI/KI）中，進食幾乎不再誘導HMGCR蛋白增加（圖2）。

　　圖2. 胰島素和葡萄糖信號通過mTORC1磷酸化USP20。a. 胰島素和葡萄糖處理WT和L-Usp20-/-小鼠的原代肝細胞；b, 體外激酶表明mTORC1可直接磷酸化WT USP20，而不能磷酸化S132A&S134A突變的USP20；c, 檢測WT和Usp20KI/KI小鼠在饑餓或進食后肝臟蛋白水平變化；d, 信號通路模式圖。

　　為了進一步闡明USP20在代謝性疾病中的功能，研究人員對WT和L-Usp20-/-小鼠用高糖高脂飼料喂養，相對于WT小鼠，L-Usp20-/-小鼠體重明顯減輕（圖3 a），體脂降低，肝臟中的脂肪堆積減少（圖3 b），血液膽固醇水平顯著下降（圖3 c）。同時，基因敲除USP20導致小鼠產熱增加，紅外照相顯示L-Usp20-/-小鼠有更高的體溫（圖3 d）。產熱增加是由于代謝流改變，導致琥珀酸增多，后者誘導產熱。研究人員還構建了持續穩定型HMGCR(K248R) knock-in小鼠，在此背景下敲除USP20則上述代謝表型消失，證明USP20缺失導致的代謝改變依賴HMGCR蛋白降解。

　　為探索USP20可否作為肥胖等代謝性疾病治療的靶標，研究人員給予肥胖小鼠USP20抑制劑，發現該抑制劑能夠顯著減輕體重，降低血液膽固醇與甘油三脂水平及提高胰島素敏感性（圖4），抑制USP20后還引起琥珀酸增多，增加產熱。這些代謝指標的改善均有助于治療高膽固醇血癥、肥胖、糖尿病等代謝疾病。另外，USP20抑制劑在L-Usp20-/-小鼠上沒有效果，表明該化合物引起的代謝改善是通過抑制USP20而實現。

　　圖4. USP20抑制劑可治療代謝綜合征。a. USP20抑制劑治療飲食誘導肥胖小鼠實驗流程示意圖。HFHS: 高糖高脂飼料，GSK2643943A：USP20抑制劑；b. 小鼠體重變化；c. 葡萄糖耐受實驗（GTT）。

　　這篇論文針對飲食誘導膽固醇合成這一代謝領域的常見重要現象，基于巧妙設計的體外生化反應，發現新的調控因子USP20，并鑒定出新的功能性磷酸化修飾位點；在生理方面，發現進食后血液中升高的葡萄糖和胰島素作為信號，激活mTORC1，后者磷酸化USP20而穩定HMGCR，上調膽固醇合成，從而將吸收的葡萄糖等營養物質轉變為膽固醇；在病理和藥物研發方面，長期高糖高脂飲食誘導USP20磷酸化增多，穩定HMGCR蛋白而升高膽固醇，是引起代謝性疾病的原因，相反抑制USP20可促使HMGCR降解，脂質合成減少，同時迫使琥珀酸生成增多，誘導產熱。

　　宋保亮，教授，武漢大學生命科學院院長。主要研究膽固醇代謝調控與代謝性疾病。他在細胞內膽固醇運輸、人體膽固醇代謝穩態調控和膽固醇代謝新功能等方面取得了系統性、有重要國際影響的原創成果：1）闡明一個膽固醇合成的負反饋調控通路與人體膽固醇吸收的分子通路，奠定了當前學術界對這兩個代謝途徑的認識；2）發現由過氧化物酶體膜接觸介導的膽固醇運輸新途徑，證明膜接觸是主要的運輸方式，并決定脂質在細胞內的精確分布；3）鑒定蛋白質膽固醇共價修飾新類型，顛覆了長期認為Hedgehog 是唯一膽固醇修飾蛋白的認識，揭示膽固醇可作為共價配體調控信號轉導和發育。相關成果以通訊（含共同通訊）作者在Nature、Science、Cell、Nat Med、Cell metab、Mol Cell、Nat Cell Biol、Nat metab等期刊發表，成果被選入十余部英文教材與專著，受邀在Nature Reviews Molecular Cell Biology撰寫膽固醇代謝大綜述。擔任中國細胞生物學學會副理事長、基金委重大研究計劃“糖脂代謝的時空網絡調控”專家組組長等。