点评 | Tobias Walther (MSKCC and HHMI）、俞立（清华大学）

心血管疾病是现代人类健康的头号杀手。世界卫生组织数据显示：全球每年有约2000万人死于心血管疾病，占据了约1/3的死亡人数；血脂稳态失衡则是心血管及相关代谢疾病的首要诱因，约有一半的成年人均存在血脂异常，经常在未知未觉间即建立起动脉粥样硬化等致命性风险。因此，血脂调控是防治心血管疾病最重要的手段，也催生了他汀、PCSK9抑制剂等“重磅炸弹”类降脂药物，却远未满足医疗需求。尤其值得一提的是，对于业已形成的动脉粥样硬化斑块，现有药物通常仅能实现其稳定；而逆转乃至清除已有斑块的治疗手段，是领域孜孜以求、但尚未能突破的瓶颈。

大量脂质以脂蛋白（lipoproteins）的形式在机体中循环递送；其中，含有APOB的脂蛋白，包括极低密度脂蛋白（VLDL）、低密度脂蛋白（LDL）和乳糜微粒（CM），在血液中的过度累积是心血管疾病的主要致病因素。脂蛋白进、出血液循环均存在严密调控。由美国西南医学中心两位杰出的研究者Mike Brown和Joe Goldstein发现的低密度脂蛋白受体 （LDL receptor, LDLR）介导低密度脂蛋白从血液进入细胞，从而实现对血脂的清除。

北京大学陈晓伟课题组长期关注脂蛋白分泌进入血液的过程，从人类罕见遗传病（乳糜微粒滞留症）出发，发现了脂蛋白的“分泌受体”SURF4（详见BioArt报道：Cell Metab | 陈晓伟团队揭示一条受体介导的脂蛋白分泌通路可高效特异地调控血脂稳态）；进而通过鉴定SURF4形成的受体复合体，发现了领域内长期探寻的磷脂翻转酶TMEM41B（详见BioArt报道：Cell Metab | 陈晓伟团队鉴定领域长期探寻的磷脂翻转酶，并提出“脂层不平衡反应”的概念）；上述工作提示脂蛋白的生成和转运存在高度“偶联”，特异且高效地调控脂蛋白递送和血脂稳态（Cold Spring Harb Perspect Biol，2022）。上述的研究引发了进一步的问题：细胞中通用的运输机器（如从内质网介导进入分泌通路的COPII复合体等），如何支持并调控脂蛋白这类特化且大量的货物的高效运输？其背后的机制，可否转化为心血管疾病的疗法？

2023年10月26日，北京大学陈晓伟团队在Nature Cell Biology发表Manganese Regulation of COPII Condensation Controls Circulating Lipid Homeostasis 的研究论文，报道了转运机器COPII复合体通过非常规的“自限型”相分离、进而调控脂蛋白分泌的高效性；并分离鉴定出锰离子（Mn2+）做为信使分子、调谐COPII蛋白凝聚与动态的平衡，从而定量控制脂蛋白分泌及机体血脂水平。同日，Life Metabolism发表了陈晓伟团队和中国科学院自动化研究所田捷团队的合作研究 “Manganese Therapy for Dyslipidemia and Plaque Reversal in Murine Models”，报道了靶向肝脏COPII凝聚态的锰疗法，在小鼠疾病模型中实现了强效降脂及动脉粥样硬化斑块的逆转乃至清除。

在机制研究中，作者发现COPII组分通过液-液相分离驱动形成COPII蛋白凝聚体，进而在生理条件下选择性地介导脂蛋白的高效分泌。通过相分离形成的COPII蛋白凝聚体，特异地富集COPII衣壳组装成分，包括内层衣壳SEC23/SEC24、外层衣壳SEC31/SEC13，从而促进COPII完整复合体组装的活性（图1a）。同时，COPII的相分离存在精细的“自限”调控。COPII蛋白凝聚体的过度生长引起的液态性、动态性下降，将优先影响特化分泌货物脂蛋白、从而导致脂质转运效率下降（图1b）。

图1. COPII“自限型”相分离及其对特定分泌过程的调控

有趣的是，作者意外发现COPII“自限型”相分离介导的脂蛋白分泌这一过程，可被一种人、鼠共感染的病原——腺病毒所劫持：该病毒可以通过增强肝脏细胞中COPII蛋白的凝聚，选择性地调控血脂的分泌。作者进而猜想：可能存在一个内源的信使分子来介导病毒对COPII凝聚体的劫持。通过建立体外重组体系、生化分离等方法，作者逐步确定了该分子非核酸、非蛋白、热稳定的多种性质，最终鉴定出病毒劫持COPII凝聚体的信使为二价金属离子Mn2+。进一步的生化、细胞实验，证明了Mn2+以迥异于此前辅酶的角色，直接和内层衣壳蛋白SEC23/SEC24结合，并在体外、在体均剂量地依赖促进COPII蛋白的液-液相分离（图2a）。更为重要的是，Mn2+以信使身份、剂量依赖的促进COPII相分离并调谐凝聚与动态的平衡，可以转变成对脂蛋白分泌的钟形（bell-shape）调控、但不影响普通分泌蛋白（如白蛋白等）。最终，作者通过控制小鼠经饮食摄入的锰含量来改变“锰信号”，从而在生理/病理条件下靶向肝脏COPII，实现了对血脂分泌的精准调控 （图2b）。

图2. 锰信使调控COPII相分离，并精准控制血脂稳态

上述机制研究提示：可以通过激活锰离子的信使功能，特异靶向COPII相分离，从而实现强效、持续降低病理性高血脂；因锰离子在摄入后高度富集于肝脏，于是作者大胆推测：基于锰的信使功能设计疗法，或可实现临床上长期探寻的斑块逆转。令人惊喜的是，在高血脂诱导的动脉粥样硬化的病理小鼠模型中（图3a），利用Mn2+定量膳食激活锰信号，对业已形成的动脉粥样硬化斑块实现了有效的逆转、乃至清除（图3b&c）。

图3. “锰疗法”在疾病模型中实现斑块逆转

以上两项工作相辅相成，从分子、细胞、动物水平系统地揭示了通用转运蛋白质机器对特化分泌货物的特异调控方式，并发现Mn2+调控COPII凝聚态的新颖信使功能，从而证明了在体靶向生物大分子液-液相分离从而治疗人类重大疾病的可能。上述工作被接受后，Nature Briefing邀请陈晓伟教授及王潇博士撰文分享研究历程；并配发了领域专家Elizabeth Miller及其同事李潇瀚博士评价该工作“will stimulate interest in the field”；以及Nature Cell Biology的资深编辑Daryl David认为该研究will further move the field towards understanding the regulation and biological effects of biomolecular condensation ；西南医学中心资深学者Steve McKnight教授亦称赞上述两项工作“of fundamental importance”。

北京大学特聘副研究员王潇博士、博士生黄润泽为Nature Cell Biology 论文的共同第一作者；北京大学陈晓伟教授、王潇博士为该工作的共同通讯作者。北京大学博士生王雅伟、中国科学院自动化所副研究员冯欣博士、北京大学周文静博士为Life Metabolism论文的共同第一作者；北京大学陈晓伟教授、王潇博士和中国科学院自动化所田捷教授为该工作的共同通讯作者。

专家点评

Tobias Walther (MSKCC and HHMI）

This is an impressive amount of beautiful work on an important and fundamental question: how are very large lipoproteins secreted from cells, such as hepatocytes or enterocytes? Following the biology here, Dr. Xiao Wang and her collogues in the laboratory of Prof. Xiao-wei Chen discovered Mn-modulated membrane trafficking – a truly unexpected finding that opens many new lines of exciting investigation. Absolute must-read!

专家点评

俞立 (清华大学，教授）

膜动态和物质运输(membrane dynamics and transport)的研究，最早由被誉为“细胞生物学之父”的George Palade开启，在历经多个诺贝尔奖（如1985年的内吞受体、1999年信号肽、2013年分泌机制等）之后，依然是生命科学中最具挑战、也最令人着迷的领域之一。

近10年来，细胞生物学的两个重要发展一是回归生理，二是交叉数理。前者尤其依赖介导物质运输的分泌通路，而后者则涌现了以相分离（phase separation）为基础的新颖机制。然而，细胞中生物大分子相分离的生理意义尚待阐明，而靶向相分离以防治重大疾病则更待实践。

北京大学陈晓伟团队发现的经典细胞运输机器COPII复合体可以通过相分离产生特异性，从而定量调控血脂运输；同时发现了锰离子的信使身份，在体外、细胞乃至机体层面均可靶向COPII相分离，进而精准控制血脂水平这一关键生理参数。更为难得的是，上述机制研究可被用于重大疾病的防治，并在动物模型中实现了致命性心血管病变的逆转。

上述的两项工作相辅相成。尤其是作者从常见病毒在不同遗传模型中“差异性”的血脂调控，推理出病毒对COPII相分离的挟持，从而纯化并鉴定出其中锰离子的信使功能，更探索了疾病的锰疗法，给细胞的数理机制赋予了生理意义。结合陈晓伟团队聚焦血脂运输，从而鉴定脂蛋白分泌受体、发现磷脂翻转酶的几项工作，一脉相承、前程可期，也呼应了细胞生物学家Mark Kirschner之前的判断：“It may sound like the past, but physiology is the future”。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41556-023-01260-3

https://doi.org/10.1093/lifemeta/load040

本文转载自公众号“BioArt”

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原标题：《【科技前沿】NCB & Life Meta | 陈晓伟团队发现血脂调控的“锰信使”，并据此实现动脉粥样硬化斑块逆转》