線粒體甘油磷酸脫氫酶缺乏可加重肝臟甘油三酯沉積及肝脂肪變性

編者按：2019年復旦大學肝病與代謝論壇上，來自陸軍軍醫大學新橋醫院鄭宏庭教授介紹了其研究團隊關於線粒體蛋白（mGPD）與非酒精性脂肪肝（NAFLD）發病機制的研究進展——線粒體甘油磷酸脫氫酶缺乏可加重肝臟甘油三酯沉積及肝脂肪變性，這一研究成果為乾預糖尿病及肥胖誘導的NAFLD提供了重要方向。

鄭宏庭 陸軍軍醫大學新橋醫院

非酒精性脂肪肝（NAFLD）以肝臟甘油三酯（TG）過度沉積為特徵，是世界範圍內工業化國家中慢性肝病最常見的原因^[1]。NAFLD包括一系列疾病譜，從單純肝臟脂肪變性、脂肪性肝炎（NASH）到肝纖維化，甚至肝癌，嚴重危害公眾健康，因此深入了解NAFLD發病機制，探究潛在有效防禦靶點迫在眉睫^[2]。
線粒體甘油磷酸脫氫酶（mGPDH）位於線粒體內膜外側，是線粒體呼吸鏈的組成部分，是體內兩大穿梭系統之一α甘油磷酸穿梭的限速酶^[3]。雖然與胞質甘油磷酸脫氫酶（cGPDH）共同參與此穿梭系統，但mGPDH在結構與細胞定位上完全不同於cGPDH^[4]。mGPDH在多個組織器官廣泛表達，如棕色脂肪、腎臟、心臟、肝臟、腦等，既往研究發現mGPDH參與甲狀腺癌細胞增殖及甲狀腺激素相關產熱，並調節精子獲能^[4]。近期研究發現，mGPDH還參與肝糖異生^[5]，但其在肝脂代謝中的作用不清楚。此外，我們前期在骨骼肌再生的研究中發現，mGPDH的表達在ob/ob小鼠的肝臟中較對照小鼠降低，提示mGPDH可能與肝脂代謝相關。為進一步驗證mGPDH與肝脂代謝的聯繫，我們在肥胖的2型糖尿病db/db小鼠、肥胖ob/ob小鼠、高脂餵養（HFD）小鼠及NAFLD患者肝臟中檢測了mGPDH表達及活性，發現mGPDH表達及活性均顯著下調。那麼，這種下調的mGPDH對肝脂代謝有何影響？利用肝臟特異性mGPDH敲除鼠，我們發現，普通餵養時，mGPDH敲除不顯著影響體重、肝重體重比（LW/BW）、肝臟總膽固醇（TC）、遊離脂肪酸（NEFA）以及血清脂質譜，但顯著升高肝臟TG含量。HFD時，敲除鼠顯示出加重的肝脂肪化，表現為升高的LW/BW和肝TG以及增多的脂滴。上述結果提示mGPDH可能通過影響肝TG沉積加速肝脂肪化。TG沉積是肝脂肪化的主要原因，其代謝途徑通常包括：脂質合成、脂肪酸氧化、脂肪酸攝取及脂質轉運^[6]。因此，我們在肝細胞株中通過干擾/過表達mGPDH，發現mGPDH可能主要通過調控脂質合成參與肝臟TG代謝調節。進一步，我們在肝臟原代細胞中驗證了其對脂質合成的調控作用。

接下來，為探尋mGPDH調節肝脂代謝的潛在機制，我們採用RNA-Seq無偏倚地檢測了可能被mGPDH調控的基因。通過對差異基因進行GO及KEGG分析，結果顯示內質網（ER）蛋白加工相關通路變化最為顯著，且在肝細胞干擾/過表達mGPDH也顯示出對ER stress相關通路的調控。為闡述mGPDH介導的肝脂代謝與ER stress的關係，我們採用急性ER stress誘導劑TM乾預mGPDH敲除小鼠，結果提示mGPDH敲除顯示出更為嚴重的ER stress、肝脂肪變性、肝脂滴積累以及升高的LW/BW和肝TG。這些表型與HFD誘導的慢性ER stress模型一致，提示mGPDH敲除可能對急性及慢性ER stress的易感性均有增加作用。此外，採用ER stress抑製劑TUDCA處理mGPDH敲除小鼠，發現mGPDH缺乏誘導的肝脂質合成及肝脂肪變性被抑製，提示mGPDH缺乏加速的肝TG沉積和脂肪變性是通過激活ER stress來實現的。

此外，為尋找mGPDH在NAFLD動物及患者肝臟中降低的原因，我們做了初步的探尋。mGPDH是新發現的、重要的線粒體活性氧自由基（ROS）生成部位，其ROS生產量與呼吸鏈複合物III相當，並且mGPDH被認為是ROS產生過量的危險因素之一。HFD時小鼠肝臟ROS釋放增多，因此可能反饋性的抑製肝臟mGPDH的表達，這可能是mGPDH在NAFLD動物及患者肝臟中降低的原因之一。

最後，我們在ob/ob及HFD小鼠中採用AAV8鼠尾靜脈注射的方式恢復肝臟mGPDH表達，結果顯示恢復mGPDH顯著改善ob/ob及HFD小鼠的肝脂質合成、TG沉積及脂肪變性，並且對肝臟功能也有改善效果，因此，恢復mGPDH可減緩NAFLD的進展。

綜上，糖尿病及肥胖時mGPDH降低，可能是對抗氧化應激的負反饋。降低的mGPDH加速肝臟TG沉積及肝脂質變性。mGPDH下調通過抑製Cyp-D蛋白泛素化降解，促進mPTP孔開放及Ca2+外流，誘導ER stress，從而加速肝臟脂合成。恢復mGPD表達緩解肥胖誘導的肝臟TG沉積及肝脂肪變性（圖1）。因此，mGPDH降低可能是糖尿病及肥胖誘導NAFLD的原因及潛在乾預靶點。

圖1. mGPDH缺乏加重糖尿病及肥胖誘導肝TG沉積及肝脂肪變性機制圖解。

參考文獻（?可滑動）

1.Adams LA, Lymp JF, St Sauver J, Sanderson SO, Lindor KD, Feldstein A, et al. The natural history of nonalcoholic fatty liver disease: a population-based cohort study. Gastroenterology 2005;129:113-121.

2.Anstee QM, Targher G, Day CP. Progression of NAFLD to diabetes mellitus, cardiovascular disease or cirrhosis. Nat Rev Gastroenterol Hepatol 2013;10:330-344.

3.Eto K, Tsubamoto Y, Terauchi Y, Sugiyama T, Kishimoto T, Takahashi N, et al. Role of NADH shuttle system in glucose-induced activation of mitochondrial metabolism and insulin secretion. Science 1999;283:981-985.

4.Mracek T, Drahota Z, Houstek J. The function and the role of the mitochondrial glycerol-3-phosphate dehydrogenase in mammalian tissues. Biochim Biophys Acta 2013;1827:401-410.

5.Madiraju AK, Erion DM, Rahimi Y, Zhang XM, Braddock DT, Albright RA, et al. Metformin suppresses gluconeogenesis by inhibiting mitochondrial glycerophosphate dehydrogenase. Nature 2014;510:542-546.

6.Utzschneider KM, Kahn SE. Review: The role of insulin resistance in nonalcoholic fatty liver disease. J Clin Endocrinol Metab 2006;91:4753-4761.

7.Baiceanu A, Mesdom P, Lagouge M, Foufelle F. Endoplasmic reticulum proteostasis in hepatic steatosis. Nat Rev Endocrinol 2016;12:710-722.

8.Elrod JW, Molkentin JD. Physiologic functions of cyclophilin D and the mitochondrial permeability transition pore. Circulation Journal 2013;77:1111-1122.

專家簡介

鄭宏庭，男，45歲，主任醫師，教授，博士生導師。陸軍軍醫大學（原第三軍醫大學）新橋醫院內分泌科主任，重慶市高校重點實驗室主任，重慶市高校創新群體負責人，重慶市學術技術帶頭人，重慶市傑青，重慶市人大代表。全軍優博導師、重慶市優博導師、軍隊院校育才銀獎、軍隊優秀專業技術人才崗位津貼獲得者。CADA Permanent Member，中華醫學會內分泌學分會全國委員，中國醫師協會內分泌代謝科醫師分會全國委員，國家自然科學基金委醫學科學部重點項目同行評議專家，中華內分泌代謝雜誌編委及20餘個SCI雜誌審稿人。主持國家自然科學基金、重慶市傑出青年科學基金等各類科研課題20餘項，累計科研經費1500餘萬元。獲2019年CODHy Young Scientist Award（1）、2016年中國糖尿病十大研究獎（1）、2013年中華醫學科技獎二等獎（5）、2007年全軍醫療成果三等獎（1）等獎項。以通訊/第一作者在Science子刊Science Transl Med，Cell子刊Trends Endocrin Met，EMBO子刊EMBO Mol Med，Hepatology，Diabetes（3篇），JCEM，EbioMedicine等期刊發表論文多篇，3篇入選F1000。

版權屬《國際糖尿病》所有。歡迎個人轉發分享。其他任何媒體、網站如需轉載或引用本網版權所有之內容須在醒目位置處註明「轉自《國際糖尿病》」

播放GIF