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全面探究,MSB最新 | 高脂饮食导致的酪氨酸磷酸化信号转导网络变化

已有 121 次阅读 2019-8-14 13:48 |系统分类:科研笔记

众所周知,肥胖相关的2型糖尿病及其伴随疾病已发展成为人类主要的健康风险,但脂质过载和脂质代谢物如何导致代谢过程失调的复杂分子机制尚不完全清楚。酪氨酸磷酸化信号转导网络是由酪氨酸磷酸化蛋白质及其相结合的蛋白质形成的复合物进而形成多级级联而组成的。该信号转导网络系统参与多种重要的细胞生物学功能,如增殖、分化、凋亡、迁移和细胞极性等,当其功能紊乱必将引起多种疾病,如肿瘤和糖尿病等


近二十多年来,尽管各单一线性酪氨酸磷酸化信号转导通路已经得到很好的研究,但整体的网络系统调节机理研究进展还十分缓慢。主要的研究障碍在于人们对多条通路的调节结点和对话点分子组成以及调节机理缺乏认识,从根本上说是在于研究手段上缺乏特别行之有效的技术和方法。如何能很好的了解该网络系统在细胞内的生物学功能及其分子调节机理,发现并研究新的重要调节结点和对话点,不仅具有重要的理论意义更能对多种疾病的治疗提供帮助。


近日,来自霍华德·休斯医学研究所Roger J. Davis教授课题组与麻省理工学院Forest M. White教授课题组携手在著名学术期刊Molecular System Biology (IF:9.8)上发表了该项研究成果。作者利用磷酸化修饰蛋白质组学技术评估了在响应用饱和或不饱和游离脂肪酸处理的细胞或小鼠消耗高脂肪饮食后,肝脏蛋白翻译后修饰的改变。研究结果证实了饮食诱导的酪氨酸信号传导网络全面改变,其影响涉及代谢过程的大量酶以及经典受体介导的信号转导网络。通过靶向两个最显著影响的分子特征(SRC家族激酶活性和活性氧物种的升高),显著消除了体外饱和脂肪暴露和体内高脂肪饮食的影响。


  
研究精读


1、棕榈酸酯在体外诱导胰岛素抗性并增加酪氨酸磷酸化信号传导


首先,作者为了阐明急性升高的游离脂肪酸对肝脏信号网络的影响,使用棕榈酸(PA)、油酸(OA)以及未结合的BSA作为对照处理肝脏细胞。他们观察到游离脂肪酸对Akt磷酸化 、ROS、葡萄糖6-磷酸酶(G6Pase)的表达和酪氨酸磷酸化(pTyr)水平都存在影响。


为了确定PA和OA对这些细胞中pTyr信号传导的影响,研究人员运用TMT标记蛋白质组学定量技术,对数百种含pTyr的肽的进行了鉴定和定量。研究发现棕榈酸酯在体外诱导胰岛素抗性并增加酪氨酸磷酸化信号传导显著改变的pTyr位点富集到与受体酪氨酸蛋白激酶(RTK)介导的信号转导途径、MAPK途径有关。特别是,在PA处理后ERK1 / 2和JNK1 / 2的激活环上的磷酸化位点升高。


图1 棕榈酸酯在体外诱导胰岛素抗性表型并干扰信号转导途径


二、高脂肪饮食诱导体内酪氨酸磷酸化信号传导并影响代谢酶和RTK相关蛋白


为了确定高脂肪饮食(HFD)对小鼠肝脏的体内作用是否与模拟饱和脂肪酸对肝细胞的体外作用相类似,作者在C57BL / 6J小鼠中建立了DIO模型。给雄性小鼠喂食正常饲料(NC)或高脂饮食(HFD) 6或16周,接着处死小鼠并分离肝脏组织(样本策略)通过LC -MS / MS进行肝脏蛋白质组和pTyr变化分析(质谱策略)。研究发现,长期高脂饮食的小鼠显示肥胖和胰岛素抵抗相关表型显著增加,包括体重、脂肪量和血糖升高,并且对葡萄糖和胰岛素的耐受性受损。同时研究发现,16周HFD喂养的小鼠肝脏中的pTyr水平显著增加(352位点中的111个)(图2A)表明HFD导致随时间累积的细胞信号传导节点上pTyr水平的失调(图2B)


总之,作者发现在规范的胰岛素信号传导网络中,HFD会导致胰岛素受体(INSR)和相关的衔接蛋白胰岛素受体底物2(IRS2)、GAB1、SHC1以及PI3K相对于NC的pTyr增加。 在这些节点的下游,喂食HFD导致活化环上p38a磷酸化增加,而其他MAPK不能被重复检测或不受饮食显著影响。


图2  高脂肪饮食诱导体内酪氨酸磷酸化信号传导并影响代谢酶和RTK相关蛋白


三、HFD改变了参与葡萄糖稳态和氨基酸分解代谢的蛋白质对胰岛素的反应。


高脂饮食对基础酪氨酸磷酸化的影响广泛,以及会造成葡萄糖和胰岛素的耐受性降低,这促使作者进一步研究pTyr信号传导对胰岛素刺激的反应,目的是确定该模型中胰岛素抗性的分子机制。喂食NC饮食或HFD(6和16周)的小鼠在禁食过夜后,用胰岛素处理15、30或60分钟,再分离肝脏并进行信号通路分析。与文献报道一致,HFD喂养的小鼠(6或16周)对胰岛素具有抗性,相对于NC饮食喂养的小鼠,胰岛素刺激后pAkt水平显著降低。HFD显著增加的大部分代谢网络pTyr位点,仅对NC喂养的小鼠的胰岛素有反应;HFD喂养6周的小鼠中对胰岛素的响应通常更高,但是这些位点在HFD喂养16周的小鼠总完全不对刺激作出反应。


 图3 HFD改变了参与葡萄糖稳态和氨基酸分解代谢的蛋白质对胰岛素的反应


接着,为了测试高胰岛素血症和完全升高的受体信号是否是基于酪氨酸磷酸化水平增加的主要驱动因素,作者使用肝脏胰岛素受体敲除模型(LIRKO,图4A)。在分析肝脏pTyr水平之前,将雄性Alb-cre InsrLoxP / LoxP(LIRKO)和InsrLoxP / LoxP(对照)小鼠喂食HFD 16周(图4B)。在LIRKO和对照小鼠的肝脏中,绝大多数位点(图4C)同样受到HFD的影响,表明大多数饮食诱导的对pTyr信号传导的改变并不依赖于肝脏INSR信号传导。当然,肝脏特异性Insr敲除与HFD联合确实也导致一些已知的和潜在的新的磷酸化程度降低。在HFD 16周后,胰岛素受体的丧失还导致一些部位的pTyr水平显著上调。


 图4大多数对HFD响应性pTyr位点的调节与肝脏胰岛素受体的表达无关


总之运用基于质谱技术的磷酸化修饰组学,研究证明脂质和脂肪酸过载可导致体外和体内的酪氨酸信号转导网络的大量改变。这些影响同时发生在胰岛素抵抗的发展上,并且可以推测肝脏中信号转导途径的改变是肝功能障碍的重要驱动因素,这也与先前对酪氨酸磷酸酶的研究以及SFK在脂肪酸代谢和胰岛素生物学中的作用一致。同时,作者的研究还能够证明靶向增加SFK活性或降低ROS水平及其对PTP的失活作用,会对饮食重连的信号传导网络和表型输出具有显著影响。


当然,有些工作在该研究中没有被清晰的阐释,未来还应该旨在确定这些信号传导网络的变化如何影响葡萄糖稳态和受影响的代谢酶的活化状态。总而言之,该项成果扩展了人们对饮食诱导的糖尿病或潜在的其他胰岛素抵抗相关疾病发病分子机制的认知,并为寻找新的治疗方法提供了可能。


参考文献
Dittmann, Antje, et al., 2019, High‐fat diet in a mouse insulin‐resistant model induces widespread rewiring of the phosphotyrosine signaling network. Molecular Systems Biology.

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