人体每天从膳食中摄入胆固醇,自身也在不断合成。这些胆固醇主要用于胆汁酸的合成,其次为类固醇激素合成。正常情况下,人体会控制自身合成速率,使其与摄入和消耗达成三方平衡,保证血液中的胆固醇含量稳定在150-200 mg / dL范围内。
HMGR(HMG辅酶A还原酶)是胆固醇合成的限速酶,所以它的活性和数量调控是胆固醇合成调控的主要手段。酶活性调控主要是可逆磷酸化修饰和胆固醇的反馈抑制,数量调控主要是固醇调节元件结合蛋白(SREBP)的转录调节,以及酶的泛素化降解。
HMGR的结构域及功能。引自Semin Cell Dev Biol. Sep; 81: 121-128.HMGR的共价修饰主要是被AMP激活的蛋白激酶(AMPK)磷酸化失活,而HMGR磷酸酶(PP2A)可将其水解恢复活性。
AMPK本身通过磷酸化激活。负责激活的主要激酶是LKB1(肝激酶B1),其次为钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶β(CaMKKβ)。负责去磷酸化灭活的还是PP2A。
HMGR的活性调控,引自磷蛋白磷酸酶(PPP)家族包括PP1、PP2A、PP2B(也称PP3)、PP4-PP7。其中的PP1我们在糖原代谢调控中接触过。PPP都含有催化亚基(C)和调节亚基(R)。调节亚基一般有多种,负责酶的底物特异性、细胞定位和调控等,可以与催化亚基形成多种组合,从而与多种多样的激酶互相调节。
蛋白激酶和磷蛋白磷酸酶在有丝分裂期间的相互调节,引自Front Cell Dev Biol. Mar 22;6:30.PP2A还需要一种支架亚基,所以是异三聚体。其中支架亚基(最初称为A亚基,基因为PPP2R1)和催化亚基组成核心酶,再与调节亚基组装成全酶。理论上说,PP2A通过亚基的组合,可以产生上百种不同全酶,每个都有潜在不同的底物特异性等(Front Cell Dev Biol. Mar 22;6:30.)。
cAMP途径也参与HMGR调控。cAMP激活PKA,使PP2A的调节亚基(图中的PPP2R)磷酸化,导致PP2A释放,从而防止HMGR去磷酸化而重新激活。
HMGR的合成与降解调控都受胆固醇调控。当胆固醇含量超过正常水平时,HMGR转录减少,降解增加。在缺乏固醇的细胞中,HMGR比较稳定,半衰期为10–15小时;而在固醇丰富的细胞中,其半衰期仅有0.5–4小时(J Biol Chem. Sep 16; 286(37): 32150–32161.)。
哺乳动物HMGR的降解是由泛素-蛋白酶体系统介导的。HMGR通过其N端区域锚定在ER中,该区域横跨膜八次,并包含一个固醇感应域。所以泛素化过程可被胆固醇加速。泛素化位点是Lys248和Lys89,而前者是多泛素化的主要受体位点(J Biol Chem. Sep 10; 279(37): 38184-93.)。
HMGR跨膜结构域及泛素化位点。引自Semin Cell Dev Biol. Sep; 81: 121-128.这个降解过程现在称为内质网相关降解(ERAD),由固醇在ER膜中的积累引发的。
HMGR的泛素化降解。引自Semin Cell Dev Biol. Sep; 81: 121-128.降解过程需要多种分子参与,包括ER膜蛋白Insig(下文介绍)、香叶基香叶基焦磷酸(GGPP),以及一种转移酶蛋白UBIAD1(Semin Cell Dev Biol. Sep; 81: 121-128.)。
UBIAD1与HMGR降解。引自Semin Cell Dev Biol. Sep; 81: 121-128.HMGR的转录调控涉及到固醇调节元件结合蛋白(sterol regulated element binding protein, SREBP)。固醇调节元件(SRE)是一种由8个碱基构成的模体,SREBP是可以与之结合的转录因子。有多种脂代谢相关基因采用这种转录调控模式。
人类表达两种不同的SREBP,称为固醇调节元件结合转录因子1(SREBF1)和SREBF2。哺乳动物的SREBF1有两种转录本,SREBP-1a和SREBP-1c(也称为adipocyte differentiation-1,ADD1)。人的SREBP-1a在脾脏和肠道中占主导地位,而在肝脏、脂肪组织和骨骼肌中以SREBP-1c为主。
SREBP-1a调节胆固醇和脂肪酸生物合成途径中的所有SREBP反应基因。SREBP-1c主要调控脂肪酸合成相关基因,并参与脂肪细胞的分化。SREBP-2在肝脏中调控胆固醇稳态相关基因(固醇生物合成和LDL受体基因等)的表达。
三个SREBPs都被蛋白水解激活,而蛋白水解由细胞中固醇水平控制。全长的SREBP定位于内质网膜中。其C末端结构域(CTD)可与SREBP裂解激活蛋白(SCAP)的C末端区域(WD40重复序列)相互作用。
SCAP的N端结构类似于HMGR,含有固醇感应域(SSD),可以充当胆固醇感受器。当细胞膜中固醇含量超过5%(摩尔比)时,SCAP与胆固醇结合,然后再与Insig蛋白(insulin-induced gene)结合,将整个复合物将保留在ER中。
SREBP的酶解调控。引自Insig编码基因有两个,INSIG1和INSIG2。前者主要在肝脏表达,后者广泛表达。除调控SREBP外,Insig蛋白还可激活HMGR的固醇依赖性降解。在ER膜上,氧化固醇可诱导Insig与HMGR相互作用,从而将泛素连接酶gp78募集至HMGR,导致HMGR泛素化并进入蛋白酶体降解。
当固醇不足时,SCAP不与Insig相互作用,SREBP-SCAP复合物就会进入含有COPII的囊泡中,被转运到高尔基体。然后SREBP依次被位点1蛋白酶(site-1 protease, S1P)和S2P切割,将其N末端具有转录因子活性的bHLH结构域释放到细胞质中。然后,bHLH结构域迁移到细胞核中并二聚化,与转录共激活因子形成复合物,从而激活具有SRE基序基因的转录。
如果觉得《胆固醇合成代谢的调控》对你有帮助,请点赞、收藏,并留下你的观点哦!