电子传递链复合物I抑制剂调控脂代谢的机制

The investigators have discovered that electron transport chain complex I of mitochondria is expected to be a new target of metabolic regulation (supported by NSFC fund 31171128). Previous studies indicated that berberine and metformin improved glucose metabolism through disruption of complex I. We found that similar effects were obtained with rotenone, a classical complex I inhibitor, or genetic interference of complex I. In addition, rotenone and berberine greatly alleviated hepatic lipid deposit, and improved lipid metabolism significantly through inhibition of lipogenesis and augment of fatty acid oxidation. However, it is reported that Ndufs4 (a subunit of complex I) knockout mice presented with overt hyperlipidemia. Therefore, we speculate that alteration of lipid metabolism depends on varying degree of inhibition of complex I. We will analyze the differences of lipid metabolism between rotenone treatment and liver specific Ndufs4 knockout mice. We will further investigate whether complex I suppression lead to up-regulation of complex II function and energy source switching from glucose oxidation to lipid oxidation, and if it is dependent of AMPK pathway. This project aims to explore the molecular mechanism of improving lipid metabolism by complex I inhibitors. The results will establish a substantial foundation to the future application of complex I as a new pharmacological target for metabolism regulation.

本课题组在国家自然基金（31171128）的资助下，发现线粒体电子传递链复合物I有望成为新的代谢调节的枢纽。前期研究提示，小檗碱和二甲双胍均通过抑制复合物Ｉ的功能来改善糖代谢，我们采用经典的复合物Ｉ抑制剂鱼藤酮，或者通过基因干扰降低复合物Ｉ的水平亦产生相似的效果；鱼藤酮和小檗碱还能显著减少肝脏的脂肪沉积，通过抑制脂质合成并刺激脂肪酸氧化来改善脂代谢。然而文献报道，复合物I的亚基Ndufs4的基因敲除小鼠表现出明显的高脂血症。为此我们推测不同程度的复合物I抑制会导致不同的脂代谢变化。本项目将分析鱼藤酮等药物干预和不同程度的肝脏特异性Ndufs4基因敲除在脂代谢上的差异，探究复合物I抑制是否导致复合物II的功能上调，并使能量来源从糖氧化向脂氧化转移，该调控是否介导于AMPK通路。本课题旨在阐明药物抑制复合物I改善脂代谢的分子机制，为确立复合物I乃新型代谢调节药物的靶点奠定基础。

线粒体是真核生物进行氧化代谢的细胞器，主要通过电子传递链将生物氧化过程中释放的自由能转化为ATP为机体供能。通过研究我们发现在糖尿病或高热量饮食造成的代谢紊乱的条件下，机体肝脏线粒体活性显著增加，肝糖输出增加，这或许是糖脂代谢紊乱中的一个关键病理生理改变。研究结果表明，在2型糖尿病中，肝脏线粒体复合物I功能水平上调最为显著。而经典的复合物I不可逆的阻断剂鱼藤酮可以通过抑制复合物I的功能而逆转肥胖、肝脏脂质沉积、高血糖和血脂异常等代谢紊乱表现。二甲双胍和小檗碱均为常用的治疗2型糖尿病的降糖药物。过去一般认为AMPK的激活是这两种药物起效的重要的分子机制。我们发现，二甲双胍和小檗碱均能通过刺激糖酵解上调细胞糖代谢，并抑制肝原代细胞的肝糖输出。通过siRNA、Compound C等手段阻断胞内AMPK通路后，二甲双胍和小檗碱对细胞的糖酵解刺激作用仍然存在。进一步研究结果显示，小檗碱和二甲双胍有相似的强效抑制复合物I的功能。也就是说即使在AMPK活性被阻断的条件下，小檗碱与二甲双胍依然能够通过抑制复合物I而诱导糖酵解增加葡萄糖消耗。.为进一步明确复合物I抑制在改善糖脂代谢中的重要作用，我们又研究了另外一个代表性的复合物I抑制剂异戊巴比妥，发现其也能在体外起到同样的刺激糖酵解改善糖代谢的作用，但由于异戊巴比妥为可逆的弱抑制剂，效果较上述三种药物更弱。另外通过siRNA将复合物I的装配蛋白NDUFA13进行沉默，下调复合物I 的功能水平也能观察到同样的代谢改变。由此我们可以得出结论，抑制复合物I功能水平可以改善糖脂代谢，且这一作用不依赖于AMPK通路，这一发现为确立复合物I为新型代谢调节药物的靶点奠定基础。