简述脂肪肝发生机制，用生化机制解释脂肪肝的原因

本文转载自中研院研究，泛科学为宣传推广实施单位。

采访|汉博美术设计|林安的牢房虽小，但内部运作极其复杂，堪比一座现代都市。生产、物流、回收和废物清除的每个环节都应保持平衡，并随时应对变化。中国科学院生物化学研究所特聘研究员陈瑞华发现了细胞两个资源回收系统之间的特殊相互作用：通过泛素-蛋白酶体系统调节自噬。简单来说，正常情况下细胞如何维持平衡，面对逆境时如何力挽狂澜？当然，在研究过程中，负责脂肪代谢的肝细胞并没有缺席。当未来我们对自噬有了更多的了解，就有可能研发出有效控制非酒精性脂肪性肝病的药物。论文于2021年2月发表在《自然通讯》(自然通讯)上。

细胞分解蛋白质的两套系统：泛素与细胞自噬

细胞内的蛋白质部分如果受损，需要分解回收，主要依靠两个各有优势又能互补的回收系统：一个是泛素-蛋白酶体系统(UPS)，一个是自噬-溶酶体系统。

上图是两个主要的细胞内资源回收系统，泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体系统。有图有物/研究(来源陈瑞华)自噬虽然中文翻译为“自噬”，但自噬启动时，并不是直接的自我毁灭，而是在外界压力下的状态改善和自我拯救。该领域的先驱大隅良典获得了2016年诺贝尔生理学或医学奖。现在我们知道，自噬可以分为很多种，可以分解细胞内的各种旧废物和有害物质，包括可溶和不可溶的蛋白质和非蛋白质分子(比如脂肪，后面会提到)。

另一个细胞清除系统，泛素-蛋白酶体系统，通常处理可溶性蛋白质。泛素会直接与靶标结合并被标记，被标记的靶标会被送到蛋白酶体进行分解。欧文罗斯、阿夫拉姆赫什科和阿龙切哈诺沃获得了2004年诺贝尔化学奖。随着越来越多的研究，一些学者发现这两个系统有时会相互影响。

陈瑞华最初的研究对象是各种蛋白质修饰，泛素化是修饰蛋白质的一种方式，这让她投身于泛素领域，开始探索蛋白质的分解和回收，也注意到了泛素与自噬的联系。其实原因不难想象：两个系统的运转涉及到大量的蛋白质，而这些蛋白质部分本身也会成为需要分解或回收的对象。

泛素与细胞自噬的正向调控者「TRABID」

细胞自噬可以分为很多种，陈瑞华关注泛素依赖的细胞自噬。出发点是寻找促进自噬的酶。

将泛素添加到目标蛋白上的酶称为泛素连接酶，反之为去泛素酶(简称DUB)。人体内的去泛素酶有很多种，测试了92种，TRABID最符合预期。增加这种酶的功能，可以促进自噬，可谓是一种正调节因子。

在泛素与蛋白质分子结合的各种复杂情况中，陈瑞华关注的一种酶是泛素去除酶“TRABID”，它负责切断K29和K48分支。图/研究对象(来源陈瑞华)泛素是由76个氨基酸组成的小分子蛋白质，可以直接与靶标结合，也可以串联形成泛素链。

泛素的序列中，第一个氨基酸是蛋氨酸(简写为M)，然后是7个氨基酸(赖氨酸，简写为K)，这些氨基酸都可以相互串联修饰，形成复杂的排列组合，从而赋予泛素链可变的形式。

如果泛素的整个链由相同的系列组成，则称为同型链。根据泛素系列的位置可分为八种：M1、K6、K11、K27、K29、K33、K48、K63。泛素的全链称为异型链，由不同种类串联而成，可分为无支链和支链。

00-1010每种酶都有自己的催化对象。泛素酶TRABID促进自噬的唯一催化靶点是谁？

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关键在于另一个酵素 VPS34，VPS34 是形成自噬小体的重要蛋白，全名为第三类磷脂肌醇 – 3 – 激酶複合体（class III PI3-kinase complex）。VPS34 会受到 K29、K48 泛素化修饰，令其遭到分解；而去泛素酶 TRABID 可以去除泛素，使 VPS34 不被分解。如此一来，激酶 VPS34 便可以促进细胞自噬的发生。

但这里可看到一处蹊跷：VPS34 受到 K29、K48 抑制，可是 TRABID 只能切到 K29，K48 应该不是它的处理範围呀？合理的推论是：K29 和 K48 以异型链的形式一起作用，所以去泛素酶 TRABID 直接切除 K29 的同时，也间接切掉并不直接接触的 K48。

泛素与细胞自噬的负向调控者「UBE3C」

细胞为了维持平衡，调控可谓一环扣着一环。既然存在针对激酶 VPS34 的去泛素酶，更早以前又是谁替 VPS34 加上泛素呢？过往研究发现，标记 K29、K48 的泛素连接酶叫作 UBE3C，而且是以支链连结。

调控基因表现可分为多个层次。基因会先转录为 mRNA，再转译为蛋白质；而泛素的调控属于后转译修饰，也就是锁定完工的蛋白质，却不影响 mRNA 的阶段。实验结果指出，泛素连接酶 UBE3C 的作用一旦增强，激酶 VPS34 的 mRNA 表现量并不改变，但是蛋白质量下降，符合泛素该有的后转译调控方式。

泛素连接酶 UBE3C 作用下会减少细胞自噬，可谓细胞自噬的负向调控者。但是问题又来了，如何证明 UBE3C 催化激酶 VPS34 进行 K29、K48 支链型泛素化？之前的研究方法仅能提供间接证据。

幸运的是，陈瑞华领导的这项研究还没结束时，另一位专精泛素的学者发表一种新的分析方法，刚好可以回答上述问题。前面提过，泛素有很多种结合型式，理想的分析应该能区别支链型和非支链型泛素化，这就是「泛素剪裁法」（Ub-clipping）。

釐清泛素与泛素的连结──改造自口蹄疫病毒的分析工具

许多分子生物学的工具最初来自微生物，如限制酶（restriction enzyme）、PCR，以及当红的 CRISPR 基因编辑，泛素剪裁法也不例外。

口蹄疫病毒（foot-and-mouth disease virus）感染细胞时，一如所有入侵者会受到抵抗；细胞利用 ISG15 蛋白质攻击病毒，而病毒也会用蛋白酶（protease）反击。有科学家注意到： ISG15 的形状就像两个泛素的合体，而口蹄疫病毒的蛋白酶专门针对这种结构。既然如此，这类蛋白酶是不是能用于切割连成一串的泛素呢？

上述构想后来成功，人为改造过的蛋白酶「Lb^pro」，能精确地切割泛素与泛素之间的「RGG」氨基酸连结。被蛋白酶切完落单的泛素，上头会连着两个甘胺酸（glycine，缩写为 G），假如本来是直链只会有 1 个 GG，原本为支链则会有 2 个 GG。

1 或 2 个 GG，这就造成重量上的落差。分子间这般的重量差异儘管很小，仍然足以被质谱仪分辨出来，这就是泛素剪裁法的威力。

藉由新法助阵，陈瑞华团队取得可靠的证据，看到泛素分支确实形成，证明泛素连接酶 UBE3C 确实将 K29 和 K48 以支链的形式标记到激酶 VPS34 之上。这也是泛素剪裁法，首度被用于细胞自噬的相关研究。

日常保持平衡，危局力挽狂澜

在了解泛素、VPS34、TRABID 与 UBE3C 之后，我们来梳理一下资讯吧。所谓开关、开关，有开就要有关。一系列实验指出，是否启动细胞自噬受到 3 个酵素影响：一旦泛素连接酶 UBE3C 加上支链修饰，令激酶 VPS34 被拖去摧毁，细胞自噬将受到阻止；若是去泛素酶 TRABID 发挥作用，令 VPS34 保持稳定，细胞自噬就会发生。

细胞处于普通或匮乏（starvation）状态时，加泛素与去泛素的酵素，以互相对抗的态势保持平衡。细胞面对危局时，原本的平衡遭到打破，细胞自噬成为一种自我救赎的手段。

陈瑞华团队进一步实验发现，内质网与蛋白质毒性压力（ER and proteotoxic stresses）之下，泛素连接酶 UBE3C 会转移位置到蛋白酶体；除掉拘束器（也就是UBE3C）之后，激酶 VPS34 便能促进细胞自噬发生，改善细胞状态，提高生存机率。

未来有望应用到脂肪肝治疗

细胞自噬是大部份细胞自我调整、保持平衡的重要手段，在某些特殊组织更扮演重要角色，例如肝细胞的代谢。过去研究发现，如果细胞自噬功能缺失，容易导致脂肪肝形成。

陈瑞华团队使用小鼠作实验动物，探讨细胞自噬在非酒精性脂肪肝疾病（non-alcoholic fatty liver disease，简称 NAFLD）中的角色。在连续 12 週餵食高脂肪饮食后，享受高油脂大餐的快乐小鼠们体型明显增大，对照组注入一般腺病毒，实验组则注入带有 TRABID 基因的腺病毒，继续观察 4 週。

两种不同处理之下，高脂餵食且注入一般腺病毒的对照组，肝脏细胞皆充满脂肪，而且去泛素酶 TRABID 和激酶 VPS34 的表现量，以及细胞自噬的活性都明显降低。而注射了 TRABID 基因的实验组，因为人为促进了去泛素酶 TRABID 的表现，引发细胞自噬作用防止肝脏脂肪形成。

从实验组的数据可以发现，小鼠多项脂肪相关的指标都有所降低，证实细胞自噬确实有阻止脂肪肝的作用，对肝脏代谢十分重要。这次的动物实验是透过注射基因提升 TRABID 表现，如果未来能找到促进 TRABID 表现的药物或关键小分子，则可望应用在非酒精性脂肪肝的治疗或保健食品。

调控机制的平衡与不平衡

陈瑞华的研究成果让我们对细胞自噬的调控又多一分认识。看起来好像很难，但是概念归纳起来并不複杂。调节细胞自噬的逻辑是一来一往的平衡（homeostasis），正向调控者作用，细胞自噬发生，反之亦然。

细胞自噬的基本机制，各种细胞多半是共通的；泛素在其中扮演阻止的角色，藉由控制泛素，便能有效影响细胞自噬。假如碰上逆境，需要促进细胞自噬时，抑制泛素即可达到目的。

在肝细胞中，细胞自噬有其特殊作用。假如细胞自噬的功能缺失，会影响脂肪代谢，长期下来可能导致脂肪肝病变；反之，若能在需要时能够促进细胞自噬，未来脂肪肝治疗就有新的契机。

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