2020年 11月 13日，来自武汉大学宋保亮教授及其团队在国际顶级期刊 Nature上在线发表了题为“Feeding induces cholesterol biosynthesis via the mTORC1–USP20–HMGCR axis”的文章。该文章揭示了胆固醇合成调控的新机制。胆固醇合成途径中的限速酶羟甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGCR）在进食后显著上调，其中去泛素化酶泛素特异性肽酶20（USP20）磷酸化修饰扮演了重要角色。在这篇文章中，云克隆 8个 ELISA试剂盒受到科研工作者的认可，荣登国际顶级期刊，为科研助力！

研究介绍

胆固醇有多种生理功能，但胆固醇升高往往存在患多种疾病的风险，如心血管疾病、糖尿病等。从乙酰辅酶 A（acetyl-CoA）到胆固醇的合成需要经过 30个步骤。其中，3-羟基 -3甲基戊二酰辅酶 A还原酶（HMGCR）是胆固醇合成中的限速酶，严格控制胆固醇的生物合成，以防止胆固醇过量损伤机体。这一调控主要通过两个负反馈途径：一是固醇诱导 HMGCR降解；二是固醇调控固醇调节元件结合蛋白（SREBPs）以控制胆固醇合成基因的转录。在演化过程中，机体适应了不稳定的食物供应环境。胆固醇的生物合成在禁食（fasting）时受到抑制，在进食（feeding）时增加。然而，其中的分子机制并不清晰。

为探究胆固醇合成在不同条件下的分子机制，作者首先检测了肝脏中 HMGCR、法尼基二磷酸法尼基转移酶（FDFT1）、羊毛固醇合成酶（LSS）以及 24-脱氧胆固醇还原酶（DHCR24）的表达情况。在夜间禁食后，给小鼠喂食高蔗糖、低脂肪、低胆固醇的食物，以消除反馈调节的干扰。再投喂后，HMGCR蛋白水平提高约 20倍，而 FDFT1、LSS和 DHCR24蛋白水平提高不到 1倍。编码这些蛋白的 mRNA增加了 2-4倍。这表明喂食后 HMGCR蛋白不仅转录水平提高，而且还涉及到转录后修饰。

之前的研究表明，固醇升高会引起 HMGCR降解。于是作者进行体内和体外实验来评估这一机制是否在禁食和重新进食的条件下依然奏效。结果发现，禁食的小鼠中 HMGCR泛素化比再进食的小鼠要高得多。作者提出了两种可能：一是禁食小鼠存在能提高 E3活性的因素；二是再进食小鼠有更高的去泛素化酶（DUB）活性。之后，将 CHO-7细胞分别进行 25-HC（刺激 HMGCR泛素化）和 MG132（阻止蛋白降解）处理，然后用肝细胞基质培养免疫沉淀。结果表明，HMGVR泛素化在禁食肝细胞基质中没有变化，但在再进食的肝细胞基质中显著下降。这些结果表明，再进食的小鼠肝脏中 DUB活性较高，以保护 HMGCR蛋白免受泛素化降解。

作者筛选出唯一能作为 HMGCR降解阻断剂的 USP20。使用 USP20抑制剂 GSK2643943A会增加 HMGCR泛素化，沉默USP20会加速 HMGCR的降解。因为 USP20在肝中高表达，因此作者使用了肝中特异性缺乏 USP20小鼠（L-Usp20-/-）进行实验。L-Usp20-/-小鼠再进食后肝中的 HMGCR蛋白含量没有变化，而野生型小鼠 HMGCR含量显著上升。野生型小鼠再进食后肝脏中胆固醇合成增加了 12.4倍，但 L-Usp20-/-小鼠肝脏中，这一效应降低了 45%。这些结果都表明 USP20是响应进食的肝 HMGCR去泛素化酶。值得注意的是，L-Usp20-/-小鼠的循环脂质和葡萄糖水平显著低于野生型。于是作者将野生型小鼠禁食后注射葡萄糖或胰岛素，发现肝脏中 HMGCR表达与葡萄糖和胰岛素协同升高，而USP20水平不变。同样，在野生型肝细胞中，胰岛素和葡萄糖提高了 HMGCR蛋白水平，但在 Usp20缺陷型肝细胞中没有。胰岛素级联包括 P13K、AKT和 mTOR。它们的抑制剂都可以阻止 USP20介导的 HMGCR积累。可以在低血糖时抑制 mTORC1活性的 AMPK，其抑制剂可以通过 USP20恢复 HMGCR稳定。这些结果都意味着 USP20可能对 mTORC1下游的胰岛素和葡萄糖响应。

定量质谱鉴定了集中 USP20磷酸化肽。仅在高糖条件下检测到 Ser132和 Ser134位点磷酸化，这与之前报道的mTORC1磷酸化蛋白组学的结果相同。作者通过实验通过胰岛素和葡萄糖信号通路调节 USP20的模型：进食诱导的胰岛素和葡萄糖信号通路激活 mTORC1，使 USP20在 S132和 S134位点磷酸化。磷酸化的 USP20然后与 gp78结合，通过去泛素化稳定 HMGCR，从而增加肝脏中胆固醇的生物合成。

为了进一步了解 USP20在代谢疾病中的作用，作者对小鼠进行高糖高脂（HFHS）喂养。与野生型小鼠相比，L-Usp20-/-小鼠体重增加少，在肝脏和脂肪组织中脂肪堆积更少，胆固醇和甘油三酯水平更低，并且胰岛素敏感性和葡萄糖清除率显著提高。与鼠粮相比，慢性 HFHS饮食增加了 AKT-mTORC1信号，降低了 AMPK活性。在野生型小鼠中，USP20在 S132和 S134位点的磷酸化显著增加，HMGCR水平升高，而 HFHS的 L-Usp20-/-小鼠则没有。这些结果表明，长期食用 HFHS可长期激活 mTORC1，通过磷酸化 USP20提高 HMGCR水平，加重代谢性疾病。不仅如此，肝缺乏 Usp20使 HMGCR降低，HMGCR的降低促使琥珀酸盐增加，进而刺激生热。

此外，USP20抑制剂 GSK2643943A通过抑制肝脏 USP20和 HMGCR不稳定可以改善代谢性疾病。GSK2643943A治疗降低了血脂含量，改善了葡萄糖清除率，增加了琥珀酸盐水平和能量，降低了约 50%的胆固醇生物合成。