iScience：細胞內囊泡運輸新型調控機制

　　 細胞內囊泡運輸對于維持細胞以及機體的多種生理功能必不可少，2013年諾貝爾生理學或醫學獎被授予發現囊泡轉運機制的三位科學家。在真核細胞內，大約三分之一的蛋白質在內質網(ER)中折疊和修飾，然后被運送到高爾基體（Golgi）。

　　蛋白質從內質網到高爾基體的運輸（ER-to-Golgi）過程是對蛋白質進行質量控制和分選的重要階段，對維持細胞內穩態至關重要。ER-to-Golgi運輸由COPII小泡驅動，而COPII小泡主要由Sec23/Sec24內殼蛋白復合體和Sec13/Sec31外殼蛋白復合體構成。至今為止，COPII小泡是如何運輸到高爾基體的機制還不完全清楚。

　　中國科學院上海營養與健康研究院陳雁課題組曹倩倩博士生等近日發現孕酮和脂聯素受體3（PAQR3）在COPII囊泡運輸中發揮了重要的作用。

　　浙一醫院研究成果公布在Cell旗下國際學術期刊iScience上。

　　在這項研究中，首先使用APEX2鄰近標記策略和質譜分析來鑒定出992種PAQR3臨近的蛋白質，其中大多數都參與了細胞內轉運的生物過程。接著借助GalNAc-T2和RUSH兩個ER-to-Golgi轉運的模型系統發現，PAQR3缺失延遲了蛋白質從內質網到高爾基體的運輸。通過一系列的生化和細胞實驗，發現PAQR3的N端能夠與Sec13和Sec31A的WD結構域相互作用并增強Sec13和Sec31A的高爾基體定位，從而揭示了PAQR3是一個通過與COPII囊泡的Sec13/Sec31A外殼蛋白復合體相互作用來調節ER-to-Golgi轉運的關鍵分子。

　　PAQR3主要作為一個抑癌基因，在多種腫瘤中具有抑制功能。考慮到平衡和控制細胞內運輸對于維持細胞內穩態至關重要，研究者推測許多類型腫瘤中發現的PAQR3的失調可能與細胞內穩態失調有關。因此，該研究的發現不僅拓展了我們對胞內運輸復雜性的理解，也可能增加對于人類疾病尤其是腫瘤的分子基礎的理解。

　　此外，這一研究組還在營養干預糖尿病領域取得系列進展：

　　熱量限制（calorie restriction, CR）是目前國際上公認能夠改善代謝并延長壽命的最佳手段，但持續的熱量限制在實際應用中有一定難度，因此近年來有人提出了間歇性熱量限制的概念，即只限制熱量一段時間，然后恢復正常進食。中科院上海營養與健康研究院陳雁課題組對間歇性熱量限制是否能有效干預糖尿病進行了系列研究，部分研究成果近日分別以題為“Intermittent administration of a fasting-mimicking diet intervenes in diabetes progression, restores β cells and reconstructs gut microbiota in mice”、“Intermittent administration of a leucine-deprived diet is able to intervene in type 2 diabetes in db/db mice”和“Gut microbiota mediates the anti-obesity effect of calorie restriction in mice”發表在Nutrition & Metabolism，Heliyon和Scientific Reports等國際期刊上。

　　陳雁課題組韋思穎博士生等利用db/db小鼠作為2型糖尿病模型分析了間歇性熱量限制對糖尿病的干預功效。該研究利用一種“模擬禁食飲食”（fasting-mimicking diet, FMD）對小鼠進行了間歇性熱量限制，所用的FMD是一種富含多種植物成分的低碳水化合物、低蛋白、高纖維的食物。小鼠進食一周的低熱量FMD（熱量為對照組的30%），然后恢復一周正常進食，連續八周重復該方案。研究發現間歇性使用FMD的小鼠空腹血糖顯著降低，葡萄糖耐受和胰島素敏感性得以改善，胰島分泌胰島素的β細胞數量增加，同時β細胞的“干細胞”標記物Ngn3的表達提升，提示通過FMD的間歇性熱量限制能夠有效地干預2型糖尿病的發生發展。該研究也發現使用FMD后小鼠的腸道菌群發生了很大的改變，部分改變與糖尿病的干預功效相關。

　　在這一研究的基礎上，韋思穎博士生等研究了另一種新穎的間歇性節食方案，即間歇性給予小鼠缺乏亮氨酸的飲食，隔日給予正常飲食，共重復8周。研究發現間歇性使用缺乏亮氨酸飲食的db/db小鼠的糖尿病進程也得以部分控制，空腹血糖顯著降低，胰島β細胞數量有所增加，同時腸道菌群也發生了很大的改變，提示間歇性使用缺乏亮氨酸的膳食也具有干預2型糖尿病的功效。

　　陳雁課題組韓若眉博士生等分析了間歇性使用FMD對于1型糖尿病的干預功效。首先該研究通過在小鼠身上注射一種藥物（Streptozotocin, STZ）破壞胰島β細胞，建立1型糖尿病模型。研究發現間歇性使用FMD能夠顯著降低空腹血糖，胰島β細胞的數量也有顯著增加，提示間歇性熱量限制對1型糖尿病也具有干預功能。

　　陳雁課題組王爍博士生等研究了腸道菌群在熱量限制降低肥胖和改善代謝中的作用。研究首先構建了抗生素清除腸道菌群（antibiotic-induced microbiota-depletion, AIMD）的小鼠模型，發現清除腸道菌群后，小鼠能夠在一定程度上抵抗由熱量限制造成的體重下降，同時空腹血糖有所增加，提示熱量限制導致的代謝改善作用部分是通過腸道菌群介導的。通過對小鼠菌群16S rRNA基因測序分析發現，熱量限制可以使菌群中主要的益生菌屬如Bifidobacterium和Lactobacillus水平升高，并抑制某些特定的潛在有害菌。為進一步探究熱量限制引起的菌群變化直接介導代謝表型的證據，本研究還通過菌群移植（fecal microbiota transplantation, FMT）的方法，發現移植小鼠熱量限制后的菌群可以減輕飲食誘導肥胖（diet-induced obesity, DIO）模型小鼠的體重、體脂和肝臟脂肪積累。這一發現更加揭示了腸道菌群介導熱量限制改善代謝的關鍵作用。

　　總而言之，這一系列工作提示了熱量限制特別是間歇性熱量限制或間歇性氨基酸限制不失為有效的糖尿病營養干預方案，而腸道菌群部分介導了熱量限制對機體代謝功能的改善作用。該課題獲得到國家自然科學基金，科技部以及中科院等經費的支持。