利用化学生物学方法深入研究胆固醇合成的负反馈调控机制

High cholesterol levels cause many metabolic diseases including hyperlipidemia and atherosclerosis. Thus, it is thus important to prevent the development of cardiovascular disease and metabolic diseases by reducing the levels of lipid especially cholesterol in plasma. We previously found that lanosterol, an intermediate product of cholesterol synthesis, acts as an endogenous inhibitor which specifically suppresses the synthesis of cholesterol. In this proposal, on one hand, we will optimize and synthesize a pool of compounds based on the structure of lanosterol. Their structure-function relationship of cholesterol reduction based on their ability to inhibit the activity of HMG CoA reductase will be studied, and the effects of these compounds on lipid metabolic balance and diseases will be further explored using cell and animal models. On the other hand, we will also use somecompounds as negative or positive selectors to find new regulators in cholesterol synthesis using lentivirus mutagenesis system and somatic cell genetic methods. This research will reveal the molecular mechanism of cholesterol synthesis, screen new small compounds with specific activities on lipid metabolism, and identify new signaling pathways and critical proteins on cholesterol synthesis. All these findings will help finding new drug candidates for metabolic diseases.

机体胆固醇水平过高会引起高脂血症和动脉粥样硬化症等多种人类重大代谢疾病。因此降低血液中的脂质水平，特别是胆固醇水平，从源头预防心血管疾病以及相关代谢性疾病的发生，就尤为重要。实验室前期研究发现胆固醇合成途径中间产物羊毛脂固醇，是一种可特异性抑制胆固醇合成的内源性调控分子。本项目拟根据已发现的调控胆固醇负反馈调控途径的内源小分子结构，一方面对该类化合物进行结构优化和筛选，研究其降胆固醇的构效关系，并在细胞及整体动物水平上系统研究其对脂质代谢平衡及脂质代谢性疾病的影响；另一方面，拟利用慢病毒诱变系统，以调控胆固醇合成途径的活性小分子为选择压力，通过体细胞遗传学方法寻找新的调控胆固醇合成途径调控蛋白因子。该研究将深入揭示胆固醇合成调控的分子机制，并能够筛选鉴定出调控脂代谢的特异活性小分子化合物，发现新的信号转导途径和关键蛋白，为研发具有自主知识产权的代谢异常疾病治疗新药奠定重要基础。

HMGCR是胆固醇合成途径中的限速酶， HMGCR的降解调控是细胞内控制胆固醇水平的最重要负反馈调控机制。我们的工作揭示了HMGCR降解调控的分子机制，泛素连接酶gp78/Insig复合物介导该过程，当细胞内甾醇浓度低时，gp78/Insig与HMGCR分离，HMGCR蛋白很稳定。而当甾醇浓度升高后，HMGCR的8次跨膜区段感受到甾醇浓度变化，结合Insig蛋白，进而被gp78在Lys89和Lys248上进行泛素化修饰，然后被蛋白酶体降解。我们还发现特异性促进HMGCR降解的甾醇为Lanosterol。随后进行了化合物库先导物的筛选和结构优化，从最初有活性的Lanosterol获得一系列结构新颖的活性化合物，同时它们对SREBP途径和LDL受体的表达没有抑制作用。表明该类分子可以单独使用或和他汀类药物联用，降低血液胆固醇水平，并弥补他汀药物造成HMGCR蛋白代偿性增多的缺陷，增强他汀类药物的疗效和减少其毒副作用。预示该类分子可能开发成为一类针对心脑血管疾病的降胆固醇创新药物。同时，我们还对细胞内胆固醇运输的机制进行了研究。胆固醇在细胞内不同膜上的分布极不均匀而且高度动态运输。我们发现溶酶体通过和过氧化物酶体相互接触，将胆固醇转移给后者。而介导该接触的分子分别是溶酶体上的 Synaptotagmin VII（Syt7）和过氧化物酶体膜上的PI(4,5)P2磷脂。我们将这种新发现的溶酶体-过氧化物酶体膜接触命名为LPMC（lysosome-peroxisome membrane contacts）。该工作揭示了一种全新的胆固醇转运途径、发现了过氧化物酶体细胞器的新功能，并为过氧化物酶体紊乱相关疾病的治疗提供了基础。