FOXD3通过调节ATPSβ表达调控肝脏糖代谢的作用及机制

Mitochondrial dysfunction including impaired ATP production and increased ROS production plays decisive roles in the progression of hepatic insulin resistance and type 2 diabetes. We had previously demonstrated that ATP synthase beta subunit (ATPSβ), the key catalytic subunit of ATP synthase, plays essential roles in controlling ATP production and ROS production in mitochondria. Under obese status, hepatic ATPSβ expression was decreased, resulting in mitochondrial dysfunction, and promoting hepatic gluconeogenesis and hyperglycemia. However, the mechanism(s) of ATPSβ repression under obese status still remains unrevealed. Our preliminary experiments suggested that ATPSβ is a potential target gene of transcriptor FOXD3. The current study aims to 1) determine whether ATPSβ is a direct target gene of FOXD3. Determining whether FOXD3 directly induces ATPSβ transcription to regulate mitochondrial function and suppresses gluconeogenesis in hepatocytes; 2) evaluate the impact of hepatic FOXD3 overexpression on ATPSβ expression, hepatic gluconeogenesis and hyperglycemia in obese diabetic mice. Determining the effects of FOXD3 overexpression on gluconeogenic gene expression in diabetic mouse livers; 3) analyze the metabolic phenotypes of mice with liver-specific deletion of FOXD3 fed on normal diet or high fat diet. Determining whether FOXD3 deficiency reduces ATPSβ expression, causes mitochondrial dysfunction, increases hepatic gluconeogenesis, and triggers hyperglycemia. In conclusion, demonstrating whether FOXD3 directly modulates ATPSβ expression to regulate mitochondrial function and suppress hepatic gluconeogenesis independent of insulin will shed light on the mechanism(s) of type 2 diabetes. Activating insulin-independent FOXD3-ATPSβ-ATP-Akt axis represents a potential strategy for ameliorating mitochondrial dysfunction and type 2 diabetes with severe insulin resistance.

线粒体功能异常是2型糖尿病发生的中心环节。线粒体ATP合酶β亚基（ATPSβ）是ATP合成的催化亚基，直接控制ATP合成速率。课题组前期研究揭示肝脏ATPSβ表达下降是导致线粒体功能障碍、糖异生增加及高血糖的重要原因，但其表达受抑制的机制尚未揭示。预实验结果表明ATPSβ可能是转录因子FOXD3的靶基因。本课题拟在前期研究及预实验基础上：1）在细胞水平上确认FOXD3是否通过直接诱导ATPSβ转录，增加ATP合成及减少ROS生成，抑制肝细胞糖异生过程；2）观察在肥胖小鼠肝脏中过表达FOXD3对ATPSβ表达、线粒体功能及糖代谢的影响；3）分析肝脏特异性敲除FOXD3小鼠在正常及高脂饮食喂养时，肝脏ATPSβ表达、线粒体功能及糖代谢的变化。本课题将阐明FOXD3通过调控ATPSβ转录调节线粒体功能，在肝脏糖代谢中起重要调控作用；FOXD3是改善线粒体功能障碍及治疗2型糖尿病的潜在干预靶点。

线粒体功能障碍特别是ATP合成减少及ROS生成过多是胰岛素抵抗与2型糖尿病发生的核心环节。改善线粒体功能异常，被认为是新抗糖尿病药物设计的基础及希望。线粒体ATP合成主要由ATP合酶（ATP synthase，ATPS）完成。本项目研究揭示线粒体蛋白FAM3A主要定位于线粒体内膜和基质，其直接与ATPS的F1组分（F1-ATPS）相互作用，激活ATPS的酶活性进而促进ATP的合成和释放。随后，分泌的ATP激活P2受体-Akt-CREB通路，诱导转录因子FOXD3表达。FOXD3作为ATPS组装的通用转录因子，同时诱导几乎所有的ATPS关键亚基和辅助组装因子基因的转录，增加ATPS组装及容量，放大FAM3A对ATP合成的促进及ROS生成的抑制作用，进而维持代谢稳态。肝脏特异性敲除FOXD3能损伤ATPS组装及ATP合成，导致糖脂代谢异常。肝脏特异性过表达FOXD3显著增加ATPS容量及ATP合成，显著缓解肥胖小鼠的糖脂代谢异常。研究确立FAM3A是一个新的ATPS组分，其在ATPS组装及活性调节中起重要作用。该发现也为靶向单基因恢复ATPS组装，从而治疗代谢性疾病提供了实验依据。.随后，进一步利用高通量测序技术等手段，揭示FAM3A-FOXD3轴介导的ATP合成分泌，通过P2受体激活钙调蛋白（CaM），促使其由胞浆向胞核转位。转位到胞核中的CaM，在肝脏中作为转录因子FOXA2的转录共激活因子，协同诱导脂肪酸氧化限速酶CPT2转录，从而增加脂质氧化，缓解肝脏脂质沉积。在棕色脂肪组织中，FAM3A-ATP信号轴也通过调控CaM与FOXA2协同作用，刺激UCP1表达，从而促进产热。随后，筛选出临床治疗抑郁症的小分子药物丙米嗪，并验证丙咪嗪通过激活肝脏及棕色脂肪组织中的FAM3A表达及其信号转导，显著缓解肥胖小鼠的肝脏脂质沉积、胰岛素抵抗、高血糖及肥胖症状。这些研究表明，激活FAM3A-FOXD3轴能显著改善线粒体功能障碍，是代谢性疾病治疗的可行干预策略。.课题执行期间，共指导博士研究生6人获得学位。申请人获得国家杰出青年基金资助（2020）及国家基金委重点项目资助（2022）。共发表署名基金号文章11篇。