三碳糖激酶和甘油激酶调控肝脏代谢流和脂肪肝发生的机制研究

Fatty liver disease affects more than 200 million patients in China. Current research in the field of fatty liver disease is primarily focused on mechanisms of de novo lipogenesis. However, the very limited capacity of de novo lipogenesis in human can not fully account for the wide prevalence of fatty liver disease, especially under the condition of low fat/high carbohydrate diet. C3 metabolites (e.g. glycerolaldehyde, dihydroxyacetone-3-phosphate) are derived from glycolysis pathways and serve as precursors for glycerol lipid synthesis. Therefore, we hypothesized that C3 metabolites may serve as a coupling link between glycolysis and lipid synthesis. Here we propose to examine the enzymatic and regulatory mechanisms of glycerol kinase (GK) and triose/glyceraldehyde kinase (TK), construct cell and mouse models for gain and loss-of-function studies, and examine their role in hepatic metabolic flux control and hepatic lipid accumulation. Through these work, we hope to identify novel mechanisms of hepatic lipid accumulation, and provide novel drug targets for the treatment of fatty liver disease.

我国有超过两亿的脂肪肝病人。目前我们对脂肪肝发生机制的研究主要集中在脂肪酸的从头合成（de novo lipogenesis）。然而人体的脂肪从头合成能力极低（约为每天2~5克），不能完全解释当前肥胖和脂肪肝的大范围流行。我们设想碳水化合物饮食能通过不依赖于脂肪从头合成的途径增加肝脏脂肪的积累。三碳代谢物如甘油醛，甘油三磷酸和二羟基丙酮酸既是糖酵解的产物，又为甘油三酯和各种磷脂的合成提供甘油三磷酸和烷基甘油磷酸的碳架。因此，三碳代谢物可能是偶联糖酵解和脂肪合成通路的重要分子。本项目拟研究两种位于不同代谢通路的三碳激酶（糖酵解通路的三碳糖激酶和脂降解通路的甘油激酶），通过比较它们的酶学特性和调控方式，构建目的基因功能缺失和功能获得性的细胞和小鼠模型，结合代谢组、脂肪组和代谢建模，阐明三碳激酶参与肝脏代谢流调控，特别是三碳糖激酶介导糖脂偶联促进脂肪积累的机制，为脂肪肝的治疗提供新的药物靶点。

近年来，我国非酒精性脂肪肝（Nonalcoholic Fatty Liver Disease，NAFLD）的患病率不断攀升。非酒精性脂肪肝根据其发展程度可以分为简单性脂肪堆积，脂肪性肝炎，肝纤维化，肝硬化等多个阶段。NAFLD的发病因素复杂，果糖饮食被认为是其重要的流行病学因素之一。然而，果糖与葡萄糖代谢的区别到底是什么？果糖流行病学上争议的原因何在？这些重大问题的根本性机制尚未得到解析。.除了脂肪肝，饮食性果糖不耐受也即果糖吸收不良在人群中非常普遍，且认为跟肠道炎症密切相关。预期今后随着肠道菌群方面的研究进一步深入，果糖代谢跟胃肠道病变甚至周身其它器官的病变之间的联系将会有不断的揭示。因此，在生化层面彻底阐明果糖代谢的独特性具有重要的基础性作用。.三碳糖激酶和甘油激酶位于碳代谢的枢纽地位，果糖和葡萄糖的代谢在三碳代谢物合流。本课题以三碳代谢激酶为着手点，通过同位素标记示踪分析和遗传学手段，全面阐明了果糖与葡萄糖在代谢流向、配比、速率上的区别，解析了果糖代谢毒性与其代谢流向及速率依赖于三碳糖激酶（Triose Kinase, TK）的调控方式，首次证实了果糖代谢命运控制的“蓄水池模型”，首次建立了果糖不耐受的细胞学模型，首次发现了果糖代谢依赖于三碳糖激酶与丝氨酸合成和脂合成通路的转录偶联机制。非常重要的是，我们还发现肥胖情况下，葡萄糖通过果糖代谢促进脂肪酸合成基因上调和脂肪肝发展的机制，为葡萄糖和果糖在非酒精性脂肪肝发生的流行病学争议提供了生化水平的解释。最后，我们还发现三碳糖激酶等位基因的多样性与人类走出非洲以及后续的迁徙途径有着密切的联系，提示果糖代谢是人类对环境适应的重要一环。.综上所述，本课题研究首次完整地揭示了果糖的代谢特质及其代谢速率和代谢命运的控制机制，并发现内源性果糖酵解途径控制脂肪肝发生的机制，为NAFLD的治疗提供新的线索。