研究首先發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)，證明進(jìn)食后肝細(xì)胞胞質(zhì)中的去泛素化酶活性增強(qiáng)（圖1b, c）。基于該線索，研究人員逐一克隆表達(dá)70多個(gè)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(dǎo)進(jìn)食誘導(dǎo)的HMGCR蛋白增加。a, 小鼠饑餓或進(jìn)食后肝臟中關(guān)鍵膽固醇合成酶的蛋白水平。Fasted: 饑餓組， Refed：再進(jìn)食組；b, HMGCR體外去泛素化實(shí)驗(yàn)流程示意圖；c, 體外去泛素化實(shí)驗(yàn)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(jìn)食后肝臟中相應(yīng)蛋白水平的變化。

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

　　研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，進(jìn)食后血液中顯著升高的葡萄糖和胰島素協(xié)同激活mTORC1激酶，后者在S132和S134位點(diǎn)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(jié)合HMGCR蛋白復(fù)合物，穩(wěn)定HMGCR蛋白，上調(diào)膽固醇合成。在USP20（S132A/S134A）點(diǎn)突變小鼠（Usp20KI/KI）中，進(jìn)食幾乎不再誘導(dǎo)HMGCR蛋白增加（圖2）。

　　圖2. 胰島素和葡萄糖信號(hào)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(xì)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(jìn)食后肝臟蛋白水平變化；d, 信號(hào)通路模式圖。

　　為了進(jìn)一步闡明USP20在代謝性疾病中的功能，研究人員對(duì)WT和L-Usp20-/-小鼠用高糖高脂飼料喂養(yǎng)，相對(duì)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(shí)，基因敲除USP20導(dǎo)致小鼠產(chǎn)熱增加，紅外照相顯示L-Usp20-/-小鼠有更高的體溫（圖3 d）。產(chǎn)熱增加是由于代謝流改變，導(dǎo)致琥珀酸增多，后者誘導(dǎo)產(chǎn)熱。研究人員還構(gòu)建了持續(xù)穩(wěn)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(dǎo)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(biāo)，研究人員給予肥胖小鼠USP20抑制劑，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)熱。這些代謝指標(biāo)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(shí)現(xiàn)。

　　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(dǎo)肥胖小鼠實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)（GTT）。

　　這篇論文針對(duì)飲食誘導(dǎo)膽固醇合成這一代謝領(lǐng)域的常見重要現(xiàn)象，基于巧妙設(shè)計(jì)的體外生化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)新的調(diào)控因子USP20，并鑒定出新的功能性磷酸化修飾位點(diǎn)；在生理方面，發(fā)現(xiàn)進(jìn)食后血液中升高的葡萄糖和胰島素作為信號(hào)，激活mTORC1，后者磷酸化USP20而穩(wěn)定HMGCR，上調(diào)膽固醇合成，從而將吸收的葡萄糖等營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟懝檀迹辉诓±砗退幬镅邪l(fā)方面，長期高糖高脂飲食誘導(dǎo)USP20磷酸化增多，穩(wěn)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(zhì)合成減少，同時(shí)迫使琥珀酸生成增多，誘導(dǎo)產(chǎn)熱。

　　宋保亮，教授，武漢大學(xué)生命科學(xué)院院長。主要研究膽固醇代謝調(diào)控與代謝性疾病。他在細(xì)胞內(nèi)膽固醇運(yùn)輸、人體膽固醇代謝穩(wěn)態(tài)調(diào)控和膽固醇代謝新功能等方面取得了系統(tǒng)性、有重要國際影響的原創(chuàng)成果：1）闡明一個(gè)膽固醇合成的負(fù)反饋調(diào)控通路與人體膽固醇吸收的分子通路，奠定了當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)這兩個(gè)代謝途徑的認(rèn)識(shí)；2）發(fā)現(xiàn)由過氧化物酶體膜接觸介導(dǎo)的膽固醇運(yùn)輸新途徑，證明膜接觸是主要的運(yùn)輸方式，并決定脂質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的精確分布；3）鑒定蛋白質(zhì)膽固醇共價(jià)修飾新類型，顛覆了長期認(rèn)為Hedgehog 是唯一膽固醇修飾蛋白的認(rèn)識(shí)，揭示膽固醇可作為共價(jià)配體調(diào)控信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和發(fā)育。相關(guān)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(fā)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(dān)任中國細(xì)胞生物學(xué)學(xué)會(huì)副理事長、基金委重大研究計(jì)劃“糖脂代謝的時(shí)空網(wǎng)絡(luò)調(diào)控”專家組組長等。