402 特约综述量也特别丰富, 对突触和髓鞘的形成非常重要同时, 胆固醇还是合成许多生物活性分子的前体例如, 胆汁酸及其盐类 ( 乳化并促进吸收食物中的脂质以及脂溶性的维生素 A E K 等 ) 维生素 D 皮质醇 (cortisol) 醛固醇 (aldosterone) 孕酮 (pro

Size: px

Start display at page:

Download "402 特约综述量也特别丰富, 对突触和髓鞘的形成非常重要同时, 胆固醇还是合成许多生物活性分子的前体例如, 胆汁酸及其盐类 ( 乳化并促进吸收食物中的脂质以及脂溶性的维生素 A E K 等 ) 维生素 D 皮质醇 (cortisol) 醛固醇 (aldosterone) 孕酮 (pro"

责万
7 years ago
Views:

1 中国细胞生物学学报 Chinese Journal of Cell Biology 2013, 35(4): 特约综述胆固醇是生物膜的重要组成成分之一, 在许多生命过程中发挥着重要作用但是血液中高水平胆固醇会导致动脉粥样硬化冠心病和中风等严重疾病人体获得胆固醇主要通过自身合成以及从饮食中吸收本实验室的研究方向包括: 胆固醇合成的调控机制; 饮食胆固醇吸收的分子途径; 细胞内胆固醇的动态运输; 胆固醇代谢的药靶系统及新药研发对胆固醇代谢途径和调控机制的研究将为预防和治疗相关疾病提供必不可少的基础胆固醇合成途径的负反馈调控机制柳童斐宋保亮* (中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所, 上海 ) 摘要胆固醇是高等生物体不可或缺的一种脂质小分子, 发挥着重要的生物学功能生物体进化出一整套堪称完美的机制来调控胆固醇的代谢平衡该文重点介绍了在胆固醇合成途径中的两个主要的负反馈调节途径: BP通路和HMGCR蛋白降解通路关键词胆固醇; BP; HMGCR; ; 泛素; 泛素连接酶 Mechanisms of Negative Feedback Regulation of Cholesterol Biosynthesis Liu Tongfei, Song Baoliang* (Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai , China) Abstract Cholesterol is an essential lipid and plays pivotal roles in eukaryotic organisms. The cells have evolved elegant mechanisms to maintain the cholesterol homeostasis. This review focuses on BP pathway and sterol-regulated degradation of HMG-CoA reductase, two major mechanisms governing the negative feedback regulation of de novo cholesterol biosynthesis. Key words cholesterol; BP; HMGCR; ; ubiquitin; ubiquitin ligase 1 胆固醇的生物功能胆固醇(cholesterol)是含有环戊烷多氢菲骨架的一种脂质小分子, 在体内发挥着重要的生理作用胆固醇作为细胞膜的主要组成成分之一, 在生理温度范围内调控细胞膜的流动性, 参与脂筏(lipid raft) 和膜微结构域的形成在神经系统中, 胆固醇的含国家自然科学基金(批准号: )和国家重大科学研究计划(批准号: 2009CB919000)资助的课题 *通讯作者 Tel: , blsong@sibcb.ac.cn This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No , ) and the Ministry of Science and Technology of China (Grant No.2009CB919000) *Corresponding author. Tel: , blsong@sibcb.ac.cn URL: 网络出版时间: :50

2 402 特约综述量也特别丰富, 对突触和髓鞘的形成非常重要同时, 胆固醇还是合成许多生物活性分子的前体例如, 胆汁酸及其盐类 ( 乳化并促进吸收食物中的脂质以及脂溶性的维生素 A E K 等 ) 维生素 D 皮质醇 (cortisol) 醛固醇 (aldosterone) 孕酮 (progesterone) 雌激素 (estrogens) 睾酮 (testosterone) 以及它们的衍生物等 [1] 另外, 胆固醇修饰是蛋白质一种重要的修饰形式例如, 胆固醇修饰对于 hedgehog 信号蛋白发挥生物功能是必需的 [2] 如果缺乏胆固醇, 哺乳动物就不能生存另一方面, 过多的胆固醇会导致一系列非常严重的疾病例如, 动脉粥样硬化脂肪肝冠心病等因此, 胆固醇代谢必须处于严密而精准的调控之中研究胆固醇代谢平衡的调控机制有重要的临床意义 2 胆固醇合成中负反馈调控的分子机制哺乳动物可以通过自身合成以及饮食吸收来获得胆固醇, 关于饮食胆固醇吸收的分子机制, 可 [3] 以参考其他文献细胞利用 2 个碳的乙酰辅酶 A, 经过 30 余步酶促反应合成 27 个碳的胆固醇 ( 图 1), 该 [4-5] 过程严格受到其下游产物的负反馈调控其中, BP 通路与 HMGCR 降解通路是两个主要的负反 [6-8] 馈调控机制 2.1 BP 通路美国西南医学中心的 Brown 和 Goldstein 两位科学家对该机制的发现贡献巨大他们深入研究家族高血脂症 (familial hypercholesterolemia, FH), 克隆了 LDL 受体基因 (LDL receptor, LDLR), 并发现在 LDLR 及胆固醇合成途径的基因启动子上存在一个 10 bp 的顺式作用元件, 此元件被命名为 Sterol regulatory element() 当插入序列后, 原本不响应胆固醇调控的启动子也会受到调控这暗示存在着一个转录因子可以识别并结合元件从而调控 LDLR HMGCR(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A O = C H 3 C S-CoA Acetyl-CoA HO H 3 C COO C=O S-CoA HMG-CoA SCAP-BP pathway HO O O = OH OH PP Mevalonate Farnesyl PP Lanosterol HMG-CoA reductase (HMGCR) HMGCR degradation pathway Cholesterol HO ACAT Cholesterol ester 细胞利用乙酰辅酶 A 为原料合成胆固醇, 一方面, 胆固醇结合 SCAP, 通过 SCAP-BP 途径在转录水平抑制胆固醇合成基因的表达 ; 另一方面, 胆固醇合成中间体 lanosterol 可促进羟甲基戊二酰辅酶 A 还原酶 (HMGCR) 降解, 从而降低胆固醇合成胆固醇还可以由酰基辅酶 A: 胆固醇酰基转移酶 (ACAT) 转化为胆固醇酯 Cholesterol is a specific regulator of SCAP-BP pathway. It binds SCAP, alters its conformation, and therefore inhibits the transport of BP from to Golgi. On the other hand, lanosterol, an intermediate in cholesterol synthesis, is an endogenous regulator for the degradation of HMGCR. Acyl- CoA: cholesterol acyl-transferase(acat) catalyzes the formation of cholesterol ester. 图 1 胆固醇的合成调控 Fig.1 Regulation of cholesterol biosynthesis

3 柳童斐等 : 胆固醇合成途径的负反馈调控机制 403 reductase) HMGCS(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A synthase) 等基因的转录表达随后, Brown-Goldstein 实验室的王晓东博士从 Hela 细胞核抽提物中成功纯化得到了一个约 60 kda 的蛋白, 命名为 sterol regulatory element binding protein (BP) [9-10] 基于部分蛋白序列, 克隆到 BP 基因的全长序列发现 BP 基因实际上编码一个 125 kda 蛋白 BP 蛋白序列分析发现, 60 kda 核蛋白对映着 N- 端序列, 属于 basic-helix-loop-helixleucine zipper(-zip) 蛋白超家族 ( 识别 E-box) [11] 虽然元件不属于 E-Box, 但 BP 的 DNA 结合区域的一个酪氨酸替代了在其他 -Zip 成员中保守的精氨酸晶体结构研究发现, 这个酪氨酸对 [12] BP 识别元件至关重要后续的研究发现, BP 有两个基因 : BP-1 和 BP-2 BP-1 又由于转录的起始位点不同而产生两个不同的转录本 : BP-1a 和 BP-1c [13] 其中, BP-1c 是 BP-1 在肝脏中的主要形式在同一时期, Bruce Spiegelman 实验室在研究脂肪分化中的关键转录因子时, 也克隆到了 BP( 他们命名为 ADD1) [14] 有趣的是, 利用 BP 的抗体检测内源蛋白时, 发现当细胞胆固醇饥饿时, BP 就会进入细胞核内, Western blot 显示核内有 60 kda 条带然而, 当加入胆固醇后, BP 只在内质网上, 而且 Western blot 显示核内 60 kda 条带消失, 只有胞质中的 125 kda 的 [15-16] 条带详细研究蛋白质序列发现, BP 蛋白被中间 80 个氨基酸分为 480 个氨基酸的 N- 端入核区 ( 含 -Zip) 和 550 个氨基酸的 C- 端调控区中间的 80 个氨基酸又可分为两段跨膜序列和 30 个氨基酸的亲水区 ( 朝向内质网腔 ) BP 蛋白整体在内质网上呈 Hairpin 式结构, N- 端和 C- 端朝向细胞质基于上述实验现象, 推测在细胞胆固醇缺乏时, BP 发生蛋白剪切释放 N- 端, 进入细胞核启动下游靶基因的表达深入的生化分析显示, 要经过两步剪切反应才能成功释放 BP 的成熟 N- 端第一步剪切发生在朝向内质网腔的 30 个氨基酸上, 催化此步反应的蛋白酶被命名为 Site-1 Protease (S1P) [17] 此时, BP 被一分为二, 含有 -Zip 的那部分通过单次的跨膜区与膜结合第二步剪切就发生在这段上, 令人惊奇的是, 剪切位点位于疏水的跨膜区催化此步反应的蛋白酶被称为 Site-2 Protease(S2P) [18] 进一步的实验分析表明, 第一步剪切可以被胞内高胆固醇所抑制 ; 没有第一步剪切就不会有第二步剪切的发生 S1P 是一种丝氨酸蛋白酶, 通过其 C- 端疏水区与膜结合 S2P 属于 zinc metalloprotease 家族, 高度疏水, 它在疏水环境中催化蛋白水解反应而且 S2P 在所有哺乳动物, 甚至大肠杆菌古菌中都能找到 BP 通过蛋白剪切调控活性的机制被称为 Regulated intramembrane proteolysis(rip) 现已证明除了 BP 途径外, ATF6 Notch APP(amyloid precursor protein) [19] 等诸多蛋白都采取了 Rip 调控方式 S1P 与 S2P 两蛋白酶定位与高尔基体上, 那么 BP 是怎么从到达高尔基体上的呢? Chang 实验室发现了一株突变的 CHO 细胞系 25-RA [20] BP 剪切正常, 但是丧失了胆固醇抑制 BP 剪切的能力细胞融合实验证明, 此细胞系的突变是显性的 Brown-Goldstein 实验室构建了 25-RA 细胞的 cdna 文库, 再将其转染到正常的 CHO [21] 细胞系中利用报告基因系统, 成功筛选到突变基因该基因被命名为 BP cleavage activating protein(scap) SCAP 的 N- 端 725 个氨基酸组成八次跨膜区, C 末端 550 个氨基酸亲水朝向胞质, 含有 [22] 多个 WD40 序列已知 WD40 会形成 β 螺旋介导蛋白与蛋白相互作用 25-RA 中 SCAP 蛋白的第 443 位的天冬氨酸突变为天冬酰胺 (D443N), 它使 BP [23] 剪切不再受胆固醇的调控这个突变位点位于一个名为 Sterol-Sensing Domain(SSD) 的区域与胆固醇代谢相关的蛋白 HMGCR Neimann Pick C1(NPC1) Neimann Pick C1 Like 1(NPC1L1) 等蛋白中都含有 SSD 最近的研究发现, SCAP 的 Loop 2 可以直接结合胆固醇, 其在胆固醇调控中的作用还不清楚对 SCAP 的糖基化分析结合荧光显微镜技术显示, 当细胞处于低胆固醇水平时, SCAP 会带着 BP 从内质网到高尔基体上相反, 当加入过量的胆固醇, SCAP/BP 复合物只会待在内质网上, 从而阻断 BP 的剪切, 关闭 BP 通路 ( 图 2) 另一个问题是, 胆固醇是如何调控 BP 成熟剪切的呢? 有趣的是, 当在细胞中过表达 SCAP 时, 胆固醇抑制 BP 剪切的能力就丧失了这提示当胆固

4 特约综述 404 醇存在时, 内质网上某一驻留蛋白可以锚定SCAP蛋对-1的作用是间接的, 主要是通过BP起作白当过量表达SCAP蛋白时, 这一驻留蛋白被饱用的胞内高胆固醇水平时, -1蛋白主要通过和掉了多余的SCAP蛋白就会将BP运输到高与SCAP的SSD区域结合, 将SCAP/BP复合物锚尔基体进行成熟剪切因此, 胆固醇就无法再抑制定于内质网, 抑制BP成熟剪切(图2) BP的成熟剪切了 -2是与-1功能相似的同源蛋白, 2002 Brown-Goldstein实验室的Tong Yang博士等研年通过生物信息学手段被发现[25] 与-1不同究人员通过免疫共沉淀联合质谱分析, 鉴定与SCAP 的是, -2不是BP的靶基因在肝脏中它有 [24] 结合的蛋白最后, 发现此蛋白为-1-1 两个转录本分别为-2a和-2b, 两者主要是只有在胆固醇存在下才可以与SCAP的SSD区域结由于转录起始位置不同而造成的, 但翻译出的蛋白合早在1991年, -1的mRNA就被发现起初是一样的 -2a mrna量与血液中的insulin浓该基因被命名为CL-6 由于它受胰岛素的诱导而转度呈反比 Insulin浓度高时, -2a mrna减少; 录上升, 所以又称作insulin-induced gene() 后 Insulin浓度低时, -2a mrna增多但-2b 续的研究表明, -1是BP的靶基因胰岛素 mrna不受调控低量恒定表达[26] Low streol Nucleus HMGCR SCAP BP LDLR Golgi S1P SCAP S2P BP High streol Nucleus BP SCAP Sterols Golgi S1P S2P 图2 SCAP-BP通路 Fig.2 SCAP-BP pathway

5 柳童斐等 : 胆固醇合成途径的负反馈调控机制 405 进一步实验发现, 当缺乏胆固醇时, SCAP 蛋白会掺入到 Cop II 包被小泡中, 后者将蛋白质从运输至高尔基体但加入胆固醇后, SCAP 蛋白就不会掺入到 Cop II 包被小泡中序列突变分析显示, SCAP 蛋白 Loop 6 中的六个氨基酸 MELADL (methionine-glutamic acid-leucine-alanine-aspartic acid-leucine) 直接介导了与 CopII 小泡蛋白 Sec23/24 结合当内质网胆固醇达到阈值时, SCAP Loop 6 构像发生变化, 使 MELADL 无法与 Sec23/24 接触, 从而造成 SCAP 蛋白无法掺入到 COPII 包被小泡中这样就抑制了 BP 的成熟剪切过程基于其他实验室对 SCAP 功能的详细研究, 我们实验室将其作为一个新的降胆固醇的靶标, 并开展大规模筛选工作我们从众多化合物中得到了一个特异结合 SCAP 蛋白的小分子化合物即白桦酯醇 (Betulin) [27] 白桦酯醇可以抑制 SCAP 的构想变化, 从而阻止其将 BP 运输到高尔基体, 下调 BP 通路进一步的动物实验发现, 白桦酯醇可以有效降低小鼠的血脂和肝脂白桦酯醇可以从天然的白 [27] 桦树皮中大量提纯, 有可能成为新的降脂药物 2.2 HMGCR 蛋白降解通路 3- 羟基 -3- 甲基戊二酰辅酶 A 还原酶 (3-hydroxy-3- -methylglutaryl coenzyme A reductase, 简称 HMGCR) 催化 HMG-CoA 转化为甲羟戊酸 (mevalonate) 甲羟戊酸作为合成前体参与了胆固醇类异戊二烯 (isoprenoid) 泛醌(ubiquinone) 血红素(heme) 多萜醇 (dolichol) 牻牛儿基(geranylgeranyl) 法尼基 [5,28] (farnesyl) 等终产物的生物合成 UT-1 细胞是在 CHO 细胞系基础上筛选到的一株可以在去脂血清培养条件下正常生长并抵抗高浓度 compactin(hmgcr 抑制剂 ) 的细胞系此细胞中, HMGCR 蛋白量极高, 可以达到总蛋白量的 2% 从 UT-1 中, 得到 360 条不完整的 cdna, 并从其中克隆到了 HMGCR 基因随后的研究发现, HMGCR 是胆固醇合成的限速酶甾醇与异戊二烯类等合成终产物通过负反馈机制来进行严格调控在转录水平上, HMGCR mrna 含量主要受到 BP 的调控除此之外, 在翻译后水平上, HMGCR 蛋白主要受到泛素蛋白酶体途径的调节蛋白的发现解开了一个多年的疑云当最初克隆到 HMGCR 时, 发现加入胆固醇或氧化性甾醇 ( 如 25-hydroxylcholesterol) 后, 内源 HMGCR 蛋白就会快速地降解后续的详细研究还证明, 羊毛固醇 (lanosterol) 是诱导 HMGCR 降解的一个重要 [29] 的内源小分子但是, 当在细胞系中过表达外源 HMGCR 时, 胆固醇诱导 HMGCR 快速降解的现象就消失了这暗示 HMGCR 快速降解还需要另一个蛋白的参与过量的 HMGCR 会饱和掉这个内源蛋白因此, 过表达 HMGCR 并不受甾醇诱导的快速降解之前已经证明可以结合 SCAP 的 SSD 区域而发挥作用, 又由于 HMGCR 也含有 SSD 区域, 所以推测这个被饱和的蛋白就是 [30] 实验证明确实介导 HMGCR 蛋白的降解动物水平上的工作也支持这一结论 -1-2 双敲除小鼠肝脏中, HMGCR 的蛋白水平上调 [31-32] 了几百倍在目前研究较多的哺乳动物 ( 如人仓鼠大鼠和小鼠 ) 中, HMGCR 都定位于内质网, 而且由 887 或 888 个氨基酸组成依据功能以及结构, 可以将 HMGCR 划分为两个不同的区域 : N- 端 339 个氨基酸构成八次跨膜区 ; 由 C- 端 548 个氨基酸构成胞质区在大多数哺乳动物中, HMGCR 跨膜区的氨基酸序列都是高度保守的这提示膜结构域不仅仅是将 HMGCR 胞质区锚定于内质网上, 而且还有其他重要的生物学功能 (1) 缺失膜结构域的 HMGCR 可以稳定表达并具有完全的催化活性, 但是丧失了甾醇诱导 HMGCR 降解的能力 (2) 膜结构域与 β- 半乳糖苷酶的融合蛋白具有响应甾醇诱导降解的能力, 如同正常的 HMGCR 一样而且进一步发现, MG132( 蛋白酶体抑制剂 ) 可以阻断甾醇诱导的 HMGCR 降解因此, 说明 HMGCR 的膜结构域对降解至关重要, 而且它是通过泛素蛋白酶体途径进行降解的甾醇诱导的 HMGCR 降解是通过泛素 (Ubiquitin) 蛋白酶体途径完成的泛素化是通过 3 种不同的酶依次作用而完成的 : 泛素活化酶 (ubiquitinactivating enzyme, E1) 泛素交联酶(Ubiquitin conjugating enzymes, E2) 泛素连接酶(ubiquitin ligases, E3) 泛素活化酶交联酶活化泛素, 最后泛素连接酶将其共价连接到被降解蛋白的赖氨酸残基 (lysine) 上泛素连接酶决定底物的特异性 [33] 2005 年, 宋保亮等通过免疫共沉淀联合质谱的实验方法, 鉴定出介导 HMGCR 泛素蛋白酶体降解途径的泛素连接酶是又名 autocrine

6 406 特约综述 motility factor receptor(amfr), 五次跨膜, 主要定位于内质网具有 ring figure domain CUE motif 和 E2 binding site, 被划分为 Ring-H2 泛素连接酶 20 世纪 80 年代中期, 被不同的实验室所发现最初, 发现与癌细胞的 Metastasis 发生过程相关, 后来发现抑癌基因 KAI1( 又名 CD82) 的编码蛋白是 [34-35] 的底物研究还发现参与错误折叠蛋白的 [35-40] -associated degradation(ad) 过程当细胞内胆固醇水平升高时, 结合 HMGCR, 同时还结合介导与 HMGCR 的结合催化 HMGCR 在 89 位与 248 位赖氨酸残基的泛素 [33] 化泛素化的 HMGCR 被迅速递送到蛋白酶体进行降解, 从而降低细胞内合成胆固醇的速率我们实验室进一步找寻与 HMGCR 蛋白降解过程相关的调控蛋白通过免疫共沉淀结合蛋白 [42] 并联合质谱的方法, 我们发现了 Ufd1 蛋白 Ufd1 含有单泛素和多泛素结合位点, 并通过结合调节的酶活性, 加速 HMGCR 降解, 减少细胞内胆固醇的合成, 同时增加细胞对低密度脂蛋白的吸收, 可降低血液胆固醇水平 ( 图 3) [42] 除了 HMGCR, 还介导 -1 的快速降解过 [43] 程催化 -1 蛋白 ( 人源 ) 的 156 位 158 位赖氨酸残基发生泛素化, 紧接着泛素化的 -1 被转运到蛋白酶体进行降解甾醇通过 SCAP 蛋白可以稳定 -1 蛋白抑制其降解主要是由于甾醇诱导 SCAP 构象发生变化而结合 -1, 导致解离, 无法催化 -1 泛素化, 从而稳定 -1 蛋白实验表明, SCAP 蛋白 SSD 区域的 Y298C 突变后, 就会失去对 -1 的保护作用另一方面, SCAP/BP 复合体与 -1 的解离不依赖于 -1 蛋白的泛素化实验表明, -1(K156R K158R) 突变型只能 [44] 延缓 SCAP 的解离, 但不能阻止参与了两个相反的生物过程一方面, 可以催化 HMGCR 泛素化使其快速降解由于 HMGCR 是胆固醇生物合成过程中的限速酶过量的甾醇可以诱导其快速降解, 从而负反馈调控胆 [33] 固醇合成速率另一方面, 也参与了 -1 [43] 的泛素化蛋白酶体降解途径 -1 是 BP [45] 成熟剪切过程中的负调控因子如果快速降解 -1, 就可以解除对 BP 通路的抑制, 激活其下游靶基因的表达, 从而上调脂质合成响应胞内不同的代谢信号, 分别介导 HMGCR 和 -1 蛋白的快速降解来精确地调控胆固醇的合成速率为了进一步研究其生理功能及其调控机制, 又因为肝脏是胆固醇反馈调节的主要响应器官, 因此我们实验室构建了基因肝脏特异敲除小鼠 (L- / ) 模 [46] 型与前期细胞系上的工作一致的是, 在 L- / Ufd1 VCP Ufd1 VCP HMG CoA reductase Sterols HMG CoA reductase Ubiquitination Ufd1 VCP Polyubiquitin chains Proteasomal degradation HMG CoA reductase 图 3 甾醇诱导 HMGCR 的降解 Fig.3 Sterol-regulated degradation of HMG-CoA reductase

7 407 柳童斐等: 胆固醇合成途径的负反馈调控机制 Regulation on HMGCR degradation Ubiquitination BP Ubiquitination SCAP LH bh Regulation on BP pathway HMG CoA reductase S1P Golgi S2P HMG CoA Syn HMG CoA Red FAS Nucleus 图4 在脂质代谢中的作用 Fig.4 Function of in lipid metabolism 小鼠肝脏中HMHCR与-1蛋白含量明显增加了连接酶 Ufd1是起到加速降解作用的一个因子我通过在肝脏原代细胞上的实验分析, 显示HMGCR 们实验室通过的动物模型进一步加深了对泛素化显著减少有趣的是, -2蛋白量以及蛋生理功能的了解这些工作暗示泛素连接酶可白稳定性均显著增加, 表明-2也是的降解以作为治疗代谢疾病的新靶标底物[46] 通过同位素示踪技术, 我们发现L- / 小鼠 3 总结中HMGCR的酶活力增强, 但胆固醇和脂肪酸等脂胆固醇作为哺乳动物细胞中最重要的脂质小质的合成速率却下降了基因表达分析发现, L- 分子之一, 发挥着重要的生物学功能, 与我们的生命小鼠肝脏中BP靶基因表达下调结合健康息息相关又由于胆固醇合成是体内胆固醇的 / Western blot分析, L- 小鼠肝脏中BP成熟主要来源之一, 因此胆固醇合成的速率需要精确的剪切过程被抑制了这说明蛋白增多, 阻止了调节以满足细胞的生理需求缺乏胆固醇时, 合成 BP的成熟剪切, 下调参与胆固醇合成的基因表速率要增加; 合成满足需求或摄入大量胆固醇后, 合达虽然HMGCR酶活性增加了, 但其上下游酶基因成途径就需要马上关闭, 用以节约能量 / [46] 表达下调, 总的效果是抑制胆固醇合成(图4) 生物体经过千百万年的进化, 逐渐发展出一综上所述, HMGCR作为胆固醇合成的限速酶, 整套精巧的分子机制来完成这些任务经过许多是胆固醇反馈抑制的重要调控位点 HMGCR受到科学家将近一个世纪的探索与发现, BP通路与多个水平的调控, 其中甾醇诱导的HMGCR蛋白降 HMGCR降解通路等分子机制逐渐清晰起来细胞解是重要的调控机制是介导这一过程的泛素通过这两个主要的通路分别在转录水平上以及转录

8 408 特约综述后水平上调控胆固醇的合成但是胆固醇合成调控的复杂性远远超过我们的想象, 随着研究的深入, 会有更多有趣而惊人的发现参考文献 (References) 1 Hanukoglu I. Steroidogenic enzymes: Structure, function, and role in regulation of steroid hormone biosynthesis. J Steroid Biochem Mol Biol 1992; 43(8): Jeong J, McMahon AP. Cholesterol modification of Hedgehog family proteins. J Clin Invest 2002; 110(5): 张莹钰, 宋保亮. 饮食胆固醇吸收的研究进展. 生物物理学报 (Zhang Yingyu, Song Baoliang. Progress in the mechanism of dietary cholesterol absorption. Acta Biophysica Sinica) 2012; 28(7): Bloch K. The biological synthesis of cholesterol. Science 1965; 150(3692): Goldstein JL, Brown MS. Regulation of the mevalonate pathway. Nature 1990; 343(6257): Brown MS, Goldstein JL, Dietschy JM. Active and inactive forms of 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase in the liver of the rat. Comparison with the rate of cholesterol synthesis in different physiological states. J Biol Chem 1979; 254(12): DeBose-Boyd RA. Feedback regulation of cholesterol synthesis: Sterol-accelerated ubiquitination and degradation of HMG CoA reductase. Cell Res 2008; 18(6): Espenshade PJ, Hughes AL. Regulation of sterol synthesis in eukaryotes. Annu Rev Genet 2007; 41: Briggs MR, Yokoyama C, Wang X, Brown MS, Goldstein JL. Nuclear protein that binds sterol regulatory element of low density lipoprotein receptor promoter. I. Identification of the protein and delineation of its target nucleotide sequence. J Biol Chem 1993; 268(19): Wang X, Briggs MR, Hua X, Yokoyama C, Goldstein JL, Brown MS. Nuclear protein that binds sterol regulatory element of low density lipoprotein receptor promoter. II. Purification and characterization. J Biol Chem 1993; 268(19): Yokoyama C, Wang X, Briggs MR, Admon A, Wu J, Hua X, et al. BP-1, a basic-helix-loop-helix-leucine zipper protein that controls transcription of the low density lipoprotein receptor gene. Cell 1993; 75(1): Parraga A, Bellsolell L, Ferre-D Amare AR, Burley SK. Cocrystal structure of sterol regulatory element binding protein 1a at 2.3 A resolution. Structure 1998; 6(5): Foretz M, Guichard C, Ferre P, Foufelle F. Sterol regulatory element binding protein-1c is a major mediator of insulin action on the hepatic expression of glucokinase and lipogenesis-related genes. Proc Natl Acad Sci USA 1999; 96(22): Tontonoz P, Kim JB, Graves RA, Spiegelman BM. ADD1: A novel helix-loop-helix transcription factor associated with adipocyte determination and differentiation. Mol Cell Biol 1993; 13(8): Sato R. Sterol metabolism and BP activation. Arch Biochem Biophys 2010; 501(2): Sato R, Inoue J, Kawabe Y, Kodama T, Takano T, Maeda M. Sterol-dependent transcriptional regulation of sterol regulatory element-binding protein-2. J Biol Chem 1996; 271(43): Sakai J, Nohturfft A, Goldstein JL, Brown MS. Cleavage of sterol regulatory element-binding proteins (BPs) at site-1 requires interaction with BP cleavage-activating protein. Evidence from in vivo competition studies. J Biol Chem 1998; 273(10): Rawson RB, Zelenski NG, Nijhawan D, Ye J, Sakai J, Hasan MT, et al. Complementation cloning of S2P, a gene encoding a putative metalloprotease required for intramembrane cleavage of BPs. Mol Cell 1997; 1(1): Brown MS, Ye J, Rawson RB, Goldstein JL. Regulated intramembrane proteolysis: A control mechanism conserved from bacteria to humans. Cell 2000; 100(4): Chang TY, Limanek JS. Regulation of cytosolic acetoacetyl coenzyme A thiolase, 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A synthase, 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase, and mevalonate kinase by low density lipoprotein and by 25- hydroxycholesterol in Chinese hamster ovary cells. J Biol Chem 1980; 255(16): Hua X, Nohturfft A, Goldstein JL, Brown MS. Sterol resistance in CHO cells traced to point mutation in BP cleavageactivating protein. Cell 1996; 87(3): Nohturfft A, Brown MS, Goldstein JL. Topology of BP cleavage-activating protein, a polytopic membrane protein with a sterol-sensing domain. J Biol Chem 1998; 273(27): Nohturfft A, Brown MS, Goldstein JL. Sterols regulate processing of carbohydrate chains of wild-type BP cleavageactivating protein (SCAP), but not sterol-resistant mutants Y298C or D443N. Proc Natl Acad Sci USA 1998; 95(22): Yang T, Espenshade PJ, Wright ME, Yabe D, Gong Y, Aebersold R, et al. Crucial step in cholesterol homeostasis: Sterols promote binding of SCAP to INSIG-1, a membrane protein that facilitates retention of BPs in. Cell 2002; 110(4): Yabe D, Brown MS, Goldstein JL. -2, a second endoplasmic reticulum protein that binds SCAP and blocks export of sterol regulatory element-binding proteins. Proc Natl Acad Sci USA 2002; 99(20): Yabe D, Komuro R, Liang G, Goldstein JL, Brown MS. Liver-specific mrna for -2 down-regulated by insulin: Implications for fatty acid synthesis. Proc Natl Acad Sci USA 2003; 100(6): Tang JJ, Li JG, Qi W, Qiu WW, Li PS, Li BL, et al. Inhibition of BP by a small molecule, betulin, improves hyperlipidemia and insulin resistance and reduces atherosclerotic plaques. Cell Metab 2011; 13(1): Goldstein JL, Bose-Boyd RA, Brown MS. Protein sensors for membrane sterols. Cell 2006; 124(1): Song BL, Javitt NB, DeBose-Boyd RA. -mediated degradation of HMG CoA reductase stimulated by lanosterol, an intermediate in the synthesis of cholesterol. Cell Metab 2005; 1(3): Sever N, Song BL, Yabe D, Goldstein JL, Brown MS, DeBose- Boyd RA. -dependent ubiquitination and degradation of mammalian 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase stimulated by sterols and geranylgeraniol. J Biol Chem 2003;

9 柳童斐等 : 胆固醇合成途径的负反馈调控机制 (52): Engelking LJ, Evers BM, Richardson JA, Goldstein JL, Brown MS, Liang G. Severe facial clefting in -deficient mouse embryos caused by sterol accumulation and reversed by lovastatin. J Clin Invest 2006; 116(9): Engelking LJ, Liang G, Hammer RE, Takaishi K, Kuriyama H, Evers BM, et al. Schoenheimer effect explained feedback regulation of cholesterol synthesis in mice mediated by proteins. J Clin Invest 2005; 115(9): Song BL, Sever N, DeBose-Boyd RA. Gp78, a membraneanchored ubiquitin ligase, associates with -1 and couples sterol-regulated ubiquitination to degradation of HMG CoA reductase. Mol Cell 2005; 19(6): Joshi B, Li L, Nabi IR. A role for KAI1 in promotion of cell proliferation and mammary gland hyperplasia by the ubiquitin ligase. J Biol Chem 2010; 285(12): Tsai YC, Mendoza A, Mariano JM, Zhou M, Kostova Z, Chen B, et al. The ubiquitin ligase promotes sarcoma metastasis by targeting KAI1 for degradation. Nat Med 2007; 13(12): Vij N, Fang S, Zeitlin PL. Selective inhibition of endoplasmic reticulum-associated degradation rescues DeltaF508-cystic fibrosis transmembrane regulator and suppresses interleukin-8 levels: therapeutic implications. J Biol Chem 2006; 281(25): Yang H, Liu C, Zhong Y, Luo S, Monteiro MJ, Fang S. Huntingtin interacts with the cue domain of and inhibits binding to ubiquitin and p97/vcp. PLoS One 2010; 5(1): e Ying Z, Wang H, Fan H, Zhu X, Zhou J, Fei E, et al. Gp78, an associated E3, promotes SOD1 and ataxin-3 degradation. Hum Mol Genet 2009; 18(22): Ying Z, Wang H, Fan H, Wang G. The endoplasmic reticulum ()-associated degradation system regulates aggregation and degradation of mutant neuroserpin. J Biol Chem 2011; 286(23): Chen Z, Du S, Fang S. : A multifaceted ubiquitin ligase that integrates a unique protein degradation pathway from the endoplasmic reticulum. Curr Protein Pept Sci 2012; 13(5): St PP, Nabi IR. The Gp78 ubiquitin ligase: Probing endoplasmic reticulum complexity. Protoplasma 2011; 249 Suppl 1: S Cao J, Wang J, Qi W, Miao HH, Wang J, Ge L, et al. Ufd1 is a cofactor of and plays a key role in cholesterol metabolism by regulating the stability of HMG-CoA reductase. Cell Metab 2007; 6(2): Lee JN, Song B, DeBose-Boyd RA, Ye J. Sterol-regulated degradation of -1 mediated by the membrane-bound ubiquitin ligase. J Biol Chem 2006; 281(51): Gong Y, Lee JN, Lee PC, Goldstein JL, Brown MS, Ye J. Sterolregulated ubiquitination and degradation of -1 creates a convergent mechanism for feedback control of cholesterol synthesis and uptake. Cell Metab 2006; 3(1): Engelking LJ, Kuriyama H, Hammer RE, Horton JD, Brown MS, Goldstein JL, et al. Overexpression of -1 in the livers of transgenic mice inhibits BP processing and reduces insulinstimulated lipogenesis. J Clin Invest 2004; 113(8): Liu TF, Tang JJ, Li PS, Shen Y, Li JG, Miao HH, et al. Ablation of in liver improves hyperlipidemia and insulin resistance by inhibiting BP to decrease lipid biosynthesis. Cell Metab 2012; 16(2):

163 β

163 β 162 02 0162-07 β 163 β 164 165 166 167 168 Biologial significance of carbohydrates Ke-Yi WANG (Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institures for Biological Sciences, Shanghai 200031,