Nat Commu | 蛋白质组学+脂质组学探究多胺对非酒精性脂肪肝的预防机制

2022-10-15 06:32:56, 多层组学定制服务上海欧易生物医学科技有限公司

前言

亚精胺是一种天然的多胺，对许多物种的健康有好处，可以延长寿命。脱氧丝氨酸合成酶(DHPS)和脱氧丝氨酸羟化酶(DOHH)是利用亚精胺催化翻译因子EIF5A (EIF5AH)翻译后丝氨酸化的关键酶。本研究发现非酒精性脂肪性肝炎(NASH)患者和小鼠以及用脂肪酸处理的肝细胞中，肝脏DOHH mRNA表达降低。

2022年9月,由新加坡国立大学医学院在Nature Communications期刊(IF:17.694)发表了题为“Spermidine-mediated hypusination of translation factor EIF5A improves mitochondrial fatty acid oxidation and prevents non-alcoholic steatohepatitis progression”的文章，该研究运用Label free蛋白组学、LC-MS脂质组学、RT-PCR逆转录聚合酶链反应、WB蛋白免疫印迹分析等多种技术方式分析了亚精胺对非酒精性脂肪肝的预防研究。

研究思路

研究结果

1、非酒精性脂肪肝病小鼠肝细胞中Dhps-Dohh-Eif5aH通路中蛋白下调

作者研究了NASH饮食模型中的Dhps-Dohh-Eif5aH通路，在该模型中，小鼠被喂养添加了液体果糖(WDF)22的西方饮食。16周后，这些小鼠出现肥胖、胰岛素抵抗和NAFLD，这些症状与人类早期NASH22的表型相似。与正常日粮(NCD)喂养的对照组小鼠相比，WDF喂养的小鼠在16周时肝脏中多胺生物合成和hypusination通路基因的表达降低了Arg1、Srm、Dhps和Dohh蛋白的表达(图1d)， 16周时Dhps、Dohh和Eif5aH蛋白表达降低(图1e，图S2a)。综上所述，这些结果表明，在该小鼠NASH模型中，多胺合成和Dhps-Dohh-Eif5aH通路减少。

图1 | NAFLD中DHPS-DOHH-EIF5AH通路减少

2、Eif5a合成酶调节肝细胞的蛋白质合成和线粒体功能

为了了解内源性Eif5aH在肝细胞中的作用，作者使用Dohh或Eif5a siRNA在AML12细胞中敲低它们的表达，发现Dohh或Eif5a敲低(KD)降低了Eif5aH水平，研究结果表明，肝细胞中Dohh或Eif5a的缺失导致Eif5aH水平和蛋白质合成降低，线粒体蛋白和DNA减少，线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)减少。

图2 | Eif5a合成酶调节肝细胞的蛋白质合成和线粒体功能

3、亚精胺的补充保留了FA处理细胞中的Eif5aH和蛋白质合成

因为FA处理的肝细胞显示受损的Dhps-Dohh-Eif5a路径(图1f–h)，作者研究了FA是否会损害肝细胞中的蛋白质合成。研究结果显示，FA处理的细胞中一般蛋白质合成速率受损（图3a）。为了研究亚精胺的保护作用，作者利用Label free蛋白质组学技术以及WB蛋白免疫印迹法分析了FA处理以及FA+Spd处理后的细胞蛋白组，发现FA + Spd共同处理恢复了Eif5a（图3a），同时恢复了大多数被检测的线粒体蛋白，而不影响它们的mRNA水平（图3b），表明亚精胺可能增加FA处理细胞中Eif5a蛋白的合成。

接下来，作者评估了FA + Spd对mtDNA、细胞内脂质含量和线粒体活性氧(ROS)的影响，发现FA降低了mtDNA，增加了BODIPY和MitoSOX荧光，而亚精胺部分逆转了mtDNA和BODIPY荧光(图3e、f)，以及完全反转的MitoSOX荧光（图3g）。这些数据表明，亚精胺还恢复了FA处理细胞中的线粒体数量,降低了细胞内脂质含量和ROS。

图3 | 亚精胺通过依赖eif5a合成酶的方式挽恢复线粒体功能

4、亚精胺通过依赖eif5a合成酶的方式恢复蛋白质合成和线粒体功能

为了确定亚精胺在FA处理的细胞中对蛋白质合成和线粒体蛋白质的有益作用是否由Eif5a合成酶介导，作者使用siRNA KD阻断亚精胺对Eif5a合成酶的恢复作用，发现亚精胺对总蛋白合成速率和线粒体蛋白表达的刺激依赖于Eif5a合成酶(图4a、b)。Label free蛋白质组学富集分析结果中的细胞成分和生物过程的蛋白质组学和途径分析(图4c，d)显示siRNA KD在FA处理的细胞中抵消了亚精胺对核仁蛋白和核糖体装配的拯救，以上结果表明Eif5a的合成依赖于Eif5a合成酶。

图4 | 亚精胺可恢复FA导致的Eif5a、蛋白合成速率和线粒体蛋白降低

损伤线粒体的自噬清除和线粒体生物合成是维持线粒体质量和活性的两种机制。亚精胺在多个组织中诱导自噬，可能涉及eif5ah介导的几个自噬相关蛋白的合成，包括调节自噬的关键转录因子，转录因子EB (TFEB)。

因此，作者评估了FA处理对自噬的影响，发现它降低了TFEB和LC3B-II蛋白水平；然而，亚精胺不能恢复Dohh KD细胞中TEFB和LC3B-II的水平。这些结果表明，在FA处理的细胞中，依赖Eif5a合成酶的自噬恢复可能是亚精胺对线粒体活性有益。

5、小鼠模型中亚精胺对非酒精性脂肪肝的影响

鉴于亚精胺能够恢复FA处理的肝细胞中的蛋白质合成速率和线粒体数量/活性，研究了亚精胺在非酒精性脂肪肝小鼠体内的作用。H&E染色显示，亚精胺降低了喂养WDF小鼠16周后肝脂滴的大小和数量(图5b)。作者用LC-MS脂质组学技术检测小鼠肝脏中脂类物质含量，肝脏总甘油三酯(TAG)含量证实，WDF增加了肝脏的TAG含量，而补充WDF+亚精胺的小鼠中脂质含量水平显著回调(图5c)。亚精胺降低血清丙氨酸转氨酶(ALT)水平(图5h)和肝脏炎症标志物如il1b、Ccl2和Cxcl9的mRNA水平(图S13)，表明亚精胺减少了肝脏炎症和损伤。以上数据表明，补充WDF的亚精胺可预防肝骨增生、肝脏炎症、损伤和纤维化。

图5 | 亚精胺摄入可改善FA导致的非酒精性脂肪肝疾病病症

相关讨论

综上所述，本研究发现了DHPS-DOHH-EIF5AH通路在调节肝细胞中蛋白质合成、线粒体OXPHOS中的重要作用。该通路在FA处理的肝细胞、NAFLD的饮食小鼠模型和NASH患者中异常调节。亚精胺是EIF5A合成酶的底物，通过在FA处理的肝细胞中诱导EIF5AH来保持线粒体蛋白的表达、数量和活性。在NASH小鼠模型中，补充亚精胺部分阻止了NASH中发生的肝脏EIF5AH和线粒体蛋白表达的丢失，进而增加了FAO，并部分防止了NASH中的肝骨增生、炎症和纤维化。这些发现表明亚精胺，一种具有抗衰老作用的内源性多胺，可能对改善NAFLD以及其他代谢和衰老相关疾病的线粒体功能有有益作用。

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