趙世民團隊揭示氨基酸代謝失調促胰島素抵抗分子機制

2型糖尿病 (T2D) 是21世紀增長最快的全球衛生事件之一，至2021年全球成年糖尿病患者人數達到5.37億，且患病率以驚人的速度持續增長，到2045年這一數字將達到7.83億^【1】。遺傳、年齡等不可改變的因素在T2D的發病機制中產生部分影響。飲食等可干預的生活方式因素對糖尿病發生起著不可忽視的作用^【2】。已知高脂、高糖導致T2D的發生，蛋白質一般認為是“健康”食物。很多氨基酸被作為營養增強劑，含苯丙氨酸的二肽阿斯巴甜（代糖）也以“零卡”的旗號加入到可樂等飲料，試圖通過降低糖的攝取防止T2D的發生。然而，眾多研究發現代糖飲料可以在實驗動物中誘發T2D癥狀，但機理不明。

但是，已有研究表明，紅肉等高蛋白飲食與T2D的發病率升高顯著相關^【3】。作為脂肪最主要成分的脂肪酸已被證明通過各種機制抑制胰島素信號和葡萄糖攝取^【4】，進而導致胰島素抵抗和T2D。而氨基酸在調節胰島素和葡萄糖攝取方面的作用尚不清楚。關于中國、日本和歐洲人群的流調顯示芳香族、和支鏈氨基酸的上調與未來糖尿病的發生高度相關^【5-7】，但氨基酸水平失調是T2D的原因還是結果仍待探索。

2022年7月25日，復旦大學附屬婦產科醫院/代謝與整合生物學研究院趙世民教授和復旦大學生物醫學研究院徐薇研究員團隊在Nature Communications上發表了題為Phenylalanine Impairs Insulin Signaling and Inhibits Glucose Uptake Through Modification of IRβ的研究文章，報道了苯丙氨酸通過修飾IRβ致胰島素抵抗的分子機制，并尋找到小分子抑制劑證實抑制這一修飾在激活胰島素信號通路和干預二型糖尿病進程中的重要作用。

研究人員發現用添加芳香族氨基酸之一的苯丙氨酸（Phenylalanine，Phe）的飲食喂養小鼠，會顯著誘導胰島素抵抗和T2D的表型。同時，富含人工甜味劑阿斯巴甜（Aspartate，APM）飲食飼喂的小鼠也被發現類似的表型，阿斯巴甜在體內會分解為苯丙氨酸和天冬氨酸。胰島素信號通路受損是導致胰島素抵抗的重要原因，研究人員發現外源添加Phe會直接抑制細胞內的胰島素信號通路轉導以及葡萄糖吸收。那么作為代謝物Phe抑制胰島素信號的機制是什么呢？

該團隊之前的研究發現，氨基酸可修飾到靶蛋白的賴氨酸ε-氨基上形成氨基酰化修飾，而對應的氨酰-tRNA合成酶是氨基酸信號的感知蛋白。研究者發現苯丙氨酰tRNA合成酶（Phenylalanyl-tRNA Synthetase，FARS）也顯著抑制細胞內胰島素信號轉導和葡萄糖攝取，FARS過表達的轉基因小鼠表現出胰島素抵抗和葡萄糖耐受不良。機制研究表明，FARS將Phe催化修飾到胰島素信號通路最上游蛋白胰島素受體β（Insulin Receptor β，IRβ）的1057和1079位賴氨酸上，形成苯丙氨酰化修飾（F-IRK1057、F-IRK1079），并抑制其激酶活性，損傷其下游信號轉導，誘發胰島素抵抗。研究還鑒定到SIRT1是IRβ的去苯丙氨酰化修飾酶，抑制修飾水平并激活胰島素信號。

研究者進一步在臨床樣本中驗證了這一機制，證實Phe與F-IRK1057、F-IRK1079水平升高與人類T2D的發生風險呈正相關，而SIRT1蛋白水平則與之負相關。最后，研究者尋找到一小分子作為Phe結構類似物，可顯著抑制F-IRK1057、F-IRK1079水平并恢復胰島素信號轉導，小分子抑制劑添加在飲食中干預hFARSA轉基因和db/db小鼠模型可有效逆轉胰島素抵抗和葡萄糖耐受不良。

綜上，這一工作通過闡釋苯丙氨酸修飾促二型糖尿病發生的具體分子機制，提出Phenylalanylation與已報道過的Phosphorylation、Myristylation、OGlcNAc-ylation等，作為營養過剩情況下細胞的另一種生化反應，在細胞內氨基酸豐富時提供了抑制過量攝取葡萄糖的保護機制。研究首次揭示了氨基酸代謝失調也是T2D的致病風險因子，為干預二型糖尿病的進程提供了新靶點和策略；同時，提示長期過度使用代糖添加劑對T2D發生有潛在的風險，對大眾健康飲食具有指導意義。

趙世民課題組博士畢業生周倩（現復旦大學附屬腫瘤醫院助理研究員）和復旦大學附屬華山醫院內分泌科主治醫師孫婉婉為該論文的共同第一作者；趙世民教授和徐薇研究員為該論文的共同通訊作者。