ERK的亚细胞定位对果蝇Akh代谢功能的调节作用

As the homolog of mammalian glucagon, Drosophila adipokinetic hormone (Akh) is another important regulator for glycemic control in addition to insulin. Investigating the molecular regulatory network of Akh/glucagon response will be important to understand the pathogenesis of hyperglycemia or type II diabetes. We characterized in vivo metabolic function of Extracellular Signal Regulated Kinase (ERK) in the fat body for the first time. Our preliminary results indicated that Akh activates ERK and that ERK deficiency potently alleviates Akh-induced hyperglycemia. Strikingly, we further found that, different from the fact that insulin activates ERK and translocates it into nuclear to regulate cell proliferation, Akh activates ERK but translocates it into mitochondria for potential metabolic regulation. We therefore hypothesize that Akh alters localization of active ERK to regulates mitochondrial activity, fat body energy homeostasis, and glycemic levels. In this project we will use genetic manipulation to study Akh/glucagon modulation of ERK activity and carbohydrate metabolism in both Drosophila and mouse primary hepatocytes. We will further combine organelle isolation, mitochondrial activity measurement, immunostaining, EM, as well as in vivo RNAi screen to explore the molecular mechanisms whereby Akh regulates ERK localizations and mitochondrial functions.

果蝇脂动激素Akh是哺乳动物胰高血糖素的同源物，是除胰岛素外另一稳定血糖的重要因子，深入研究Akh/胰高血糖素的分子调控网络对了解高血糖或II型糖尿病的生发有重大意义。我们通过前期实验首次鉴定了脂肪体中ERK的代谢功能，发现Akh可以激活ERK，而ERK缺失极大阻断Akh升血糖的能力。令人震惊的是，我们还发现，不同于胰岛素激活ERK将其定位到细胞核中、参与细胞增殖调控，Akh激活ERK而将其定位到线粒体中、参与可能的代谢调控。因此我们推测Akh通过ERK的定位来影响线粒体活性、从而调节脂肪体能量代谢和血糖水平。在本项目中我们将通过遗传操作在果蝇和小鼠原代肝细胞中研究Akh/胰高血糖素对ERK活性和糖脂代谢的调节；并进一步通过细胞器分离、线粒体活性测试、免疫荧光、电镜分析和体内RNAi筛选，来探索Akh对脂肪体ERK线粒体定位和线粒体活性调节的分子机制。

除了胰岛素抵抗，胰高血糖素的效应强化也是高能量饮食导致高血糖的重要因素。虽然胰高血糖素的信号通路以及转录调控已经被研究清楚，但其对不同细胞器的影响以及相应的代谢调控仍旧大量未知。本项目应用果蝇这一保守的代谢调控模式动物对此进行研究，并在哺乳动物中进行验证。我们首先通过遗传操作发现，果蝇脂动激素（Akh，果蝇中胰高血糖素的同源物）调控血糖平衡是通过激活ERK来实现的。然而，与胰岛素激活ERK并将其转运入核不同，我们基于影像学和代谢组学分析发现Akh通过Ca2+/CaMK通路，而不是cAMP/PKA，激活ERK并将其转运到过氧化物酶体上，从而破坏过氧化物酶体中的糖代谢。不论用药物抑制ERK活性还是通过遗传操作强制将ERK导入细胞核来减少过氧化物酶体的定位，都可以显著减缓高能量饮食或者Akh激活所导致的高血糖。在本项目中我们也在小鼠肝原代细胞中证实胰高血糖素激活ERK并将其转运到过氧化物酶体中，更重要的是，肥胖患者的肝细胞中活化ERK在过氧化物酶体中的定位比例与高血糖的严重程度成显著正相关。因此，本项目揭示胰高血糖素通过激活ERK、将其转运到过氧化物酶体中，从而破坏过氧化物酶体的糖代谢，导致高血糖；如果抑制ERK活性或其在过氧化物酶体的定位，都可以缓解高能量饮食导致的高血糖，为防治二型糖尿病提出了胰岛素抵抗之外的理论基础和治疗靶点。