经典WNT信号通路分子DVL3蛋白在葡萄糖代谢和棕色脂肪分化中的调控机理研究

Metabolic diseases characterized by obesity and type-2 diabetes have increasingly become the healthy killers of all age groups in china today. Gene mutations hidden behind these metabolic diseases are important cues for early diagnosis and drug development. Genome-wide association studies have shown that the loss-of-function of canonical WNT signaling pathway is highly associated with diabetes risks; however, comprehensively understanding metabolic roles of canonical WNT pathway in processes of glucose and fat metabolism is still absent. Utilizing knockout mice, lentivirus-delivered knockdown mice, and multiple molecular biology tools, the applicant found that the core regulator of canonical WNT pathway, DVL3, is specifically expressed in mouse brown adipose tissues and liver, and revealed for the first time that the loss-of-function of DVL3 caused atrophy of brown adipose tissues, suppression of thermogenesis in adipose tissues, blockade of mTORC2-AKT signaling crucial for glucose metabolism in hepatocytes, and marked fatty liver and glucose intolerance. In this project, based on the high-throughput protein interaction screening of DVL3 protein, the applicant plans to study the mechanism of DVL3 in energy metabolism of whole body, thus providing the molecular basis for understanding pathogenesis of obesity and type-2 diabetes and developing drugs in therapies of these diseases.

肥胖和二型糖尿病为特征的代谢性疾病日益成为当今中国各年龄阶段人群的健康杀手，隐藏在这些代谢性疾病背后的基因变异是进行疾病早期诊断和药物开发的重要分子线索。全基因组关联性研究表明经典WNT信号通路的功能缺失与二型糖尿病的发生存在高度相关性；然而，从分子水平上解析WNT通路调控糖脂代谢的机理依然缺乏。申请人利用基因敲除小鼠、慢病毒介导的基因敲低小鼠和多种分子生物学的研究手段，发现WNT通路核心调控分子DVL3蛋白特异性表达于小鼠棕色脂肪和肝脏中，并首次揭示其表达缺失会造成小鼠棕色脂肪萎缩和产热代谢受抑、肝细胞葡萄糖代谢的核心调控通路mTORC2-AKT活性被阻遏以及明显的脂肪肝和葡萄糖耐受恶化等代谢失调症状。申请人拟以前期研究中获得的DVL3分子的高通量蛋白质相互作用筛选结果为重要线索，深入研究DVL3蛋白在生物机体能量代谢中的作用机理，以期为肥胖和二型糖尿病的发病机理和药物开发提供分子基础。

肥胖和二型糖尿病为代表的代谢性疾病正成为当今社会的健康杀手，而葡萄糖代谢紊乱是造成这些疾病高发的元凶之一。探索葡萄糖代谢中的分子调控机制可以为代谢性疾病的治疗与药物研发提供多方面的、可替代性的作用靶点。本项目的研究利用多种技术手段深入探索了Wnt信号通路的核心调控分子DVL3蛋白在葡萄糖代谢中的调控作用。我们的研究结果指出DVL3蛋白在棕色脂肪组织分化过程发生细胞质核转位现象。DVL3蛋白的缺失导致新生小鼠棕色脂肪组织发育不良，棕色脂肪组织和皮下白色脂肪组织产热代谢缺陷并恶化小鼠的葡萄糖耐受能力。在细胞核内，DVL3自身具有基因转录活性，协同BMP-SMAD信号通路促进棕色脂肪细胞分化和产热代谢关键调控分子PRDM16的表达；而在细胞质内，DVL3蛋白通过结合MTOR激酶，促进以mTOR复合物为核心的细胞糖脂代谢调控网络。进一步的研究揭示，葡萄糖代谢的限制能够诱发细胞核转运受体的功能重塑，从而导致部分特异性蛋白质的细胞核转位。此外，我们还充分探索了FNDC5基因在棕色脂肪组织产热代谢中的调控作用。我们的研究结果指出FNDC5能够在棕色脂肪组织中特异性表达，并受到Wnt信号通路、Hippo-YAP信号通路以及甲状腺素信号通路的单独或者联合调控。寒冷环境的冷刺激或者运动能够刺激FNDC5的显著性表达。我们的研究揭示，FNDC5能够通过它的细胞外剪切体诱导骨骼皮下白色脂肪组织中FAKWWP2RUNX1/2信号轴，激活产热代谢。同时，该信号轴还能够通过其下游靶基因骨钙素，激活棕色脂肪组织中Wnt信号通路依赖的产热代谢。因此，我们研究建立了生物机体能量代谢稳态中的多器官间信号交互的分子机制。