氧化还原微环境通过多种翻译后修饰途径调控AMPK介导的糖代谢研究

AMPK dysregulation contributes to the onset and development of type 2 diabetes (T2DM). These findings contrast with studies that AMPK regulation is activated by oxidative stress. Our preliminary experiment results showed that either oxidative stress or antioxidant interference activated AMPK, but their activation mechanism is different. Interestingly, we found that oxidative stress downregulated AMPK protein, however antioxidant interference stabilized the protein expression. The latest studies show that ubiquitination and sumoylation can regulate AMPK activity respectively in a bio-directional way, meanwhile ROS can regulate protein ubiquitination and sumoylation bio-directionally. We speculate that the distinct redox state mediates the differential activation mechanism. Our preliminary results showed that the sumoylation of AMPK was differentially activated by redox regulation, while ROS can directly modify the key thiol group of AMPK. This study aims to study how ROS modifies the AMPK and its upstream protein through the ways of ubiquitination, sumoylation and multiple oxidative modifications, revealing the impact of redox state on AMPK protein, activity and its downstream glucose metabolism pathways, searching for the corresponding ROS threshold. If the mechanism an be clarified, it will have far-reaching significance in the personalized prevention and treatment of type 2 diabetes.

AMPK失活被认为是2型糖尿病发生和发展的重要原因。矛盾的是，抗氧化干预和氧化应激都可以导致AMPK的激活。我们前期已发现，氧化和还原对AMPK的激活机制截然不同，对AMPK含量的影响也是相反的，氧化使AMPK含量下降，还原则使其含量上调。最新研究表明，泛素化、类泛素化过程可以分别双向调控AMPK活性，而ROS可以双向调控蛋白质泛素化/类泛素化。我们推测体内不同的氧化还原状态应介导了AMPK的差异化活化机制。现初步证实AMPK的SUMO化受氧化还原调控差异化激活，并发现ROS还可直接氧化修饰AMPK的关键巯基。本课题拟从ROS通过AMPK及其上游蛋白的泛素化、类泛素化以及各种氧化修饰途径入手，深入探讨氧化还原微环境差异化对代谢调节关键开关AMPK蛋白表达和活性以及对下游糖代谢通路的影响，分析确定ROS相应的调控阈值。如能阐明其对糖代谢调控机制，对2型糖尿病的个性化防治将具有深远意义。

氧化还原失衡是导致糖尿病的重要原因。适量的活性氧也是生命活动所必需，ROS参与许多重要的生理过程。但过量活性氧导致氧化应激会导致胰岛素抵抗、葡萄糖不耐受，更严重会导致糖尿病并发症及死亡。但机体内的氧化还原水平正常范围如何界定并不清楚，从而影响了对糖尿病的预防和治疗的效果。氧化应激可以导致糖尿病，但是运动产生的氧化状态反而可以预防和治疗糖尿病，氧化和还原干预是通过何种机制来治疗糖尿病，尚未可知。 AMPK是治疗糖尿病的重要靶标，AMPK失活被认为是糖尿病发生发展的重要原因。本课题深入探究了糖尿病的氧化还原状态和失衡指标以及和AMPK的关联，揭示了氧化和还原都可以激活AMPK的看似矛盾现象后的机制。发现短期高盐饮食、SIRT3敲除、以及运动带来的适度氧化应激，都可以激活AMPK，维持葡萄糖代谢稳态。但是如果氧化应激程度加重，例如在SIRT敲除的基础上给予高盐饮食、或者给予FeSO4应激、或者过量运动的情况下，都可以造成氧化还原平衡的失衡，形成氧化损伤，并导致AMPK的失活，最终引起糖代谢的紊乱和血糖的升高。我们利用脂质体的肝靶向性，将含阳离子基团的抗氧化纳米药物导入肝脏线粒体，通过精准干预肝脏微区的氧化还原失衡状态，通过AMPK/ SIRT3-PGC1α 介导的机制，恢复异常的肝线粒体生物能量学和肝葡萄糖代谢，最终改善并治疗糖尿病。我们的研究表明，对应于糖尿病个体不同的氧化还原状态应该采用不同的治疗策略。在糖尿病的早期阶段，可以根据机体本身的氧化还原状态，采用天然抗氧化剂干预的策略或者通过适量运动，以逆转氧化还原失衡状态。对于晚期糖尿病，需要有生物利用度高的靶向抗氧化剂来提高治疗效果。AMPK的氧化激活和氧化损伤性降解在其中可以作为氧化还原平衡阈值的一个标志物，我们的研究为糖尿病人个体的氧化还原微环境制定个性化干预提供理论基础。我们实验结果揭示个性化调节氧化还原水平有助于通过修复体内氧还平衡状态，有效控制糖尿病的进展，为糖尿病的预防和综合治疗提供了新思路。