PNAS：科学家们揭示了CRL3在肝脏代谢调节中的关键作用

泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体系统高度调控的蛋白质降解在维持细胞稳态中起着至关重要的作用。Cullin RING E3连接酶(CRL)属于多蛋白E3泛素连接酶家族，介导约10%至20%的细胞总蛋白的泛素化。最近，CRL被越来越多地认为是具有治疗靶点的疾病修饰途径的关键调节因子。

一个功能性的CRL复合体由一个单一的cullin支架蛋白组成，它连接RING E3连接酶和一个底物受体，募集泛素化和蛋白酶体降解的靶蛋白。哺乳动物细胞表达8种cullin蛋白(Cul1、Cul2、Cul3、Cul4A、Cul4B、Cul5、非典型Cul7和非典型Cul9)。每个cullin支架形成一组独特的CRL，这些CRL可识别蛋白质小体降解的一组选择性蛋白质。

到目前为止，类化修饰抑制剂在癌症治疗中的临床应用在实验模型和临床试验中都得到了最广泛的研究。靶向CRL治疗其他疾病需要更好地了解单个CRL的功能机制，并开发可以选择性地调节某些CRL调控通路的药物，以尽量减少不良的治疗相关效应。然而，大多数已发表的研究采用泛类化抑制剂，以非选择性的方式抑制所有的CRL。利用遗传模型分析单个CRL复合物作用的研究很少，这使得单个CRL的器官和细胞类型特异性功能在很大程度上不确定。

图片来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2320934121

近日，来自美国俄克拉荷马大学健康科学中心的研究者们在Proc Natl Acad Sci U S A杂志上发表了题为“Cullin 3 RING E3 ligase inactivation causes NRF2-dependent NADH reductive stress, hepatic lipodystrophy, and systemic insulin resistance”的文章，该研究确定了CRL3在肝脏代谢调节中的关键作用，并证明CRL3下游NRF2过度激活导致肝脏代谢不适应肥胖和胰岛素抵抗。

Cullin RING E3连接酶(CRL)已成为疾病修饰途径和治疗靶点的关键调控因子。Cullin3 (Cul3)-含CRL (CRL3)参与调节肝脏胰岛素和氧化应激信号。然而，CRL3在肝脏病理生理中的功能尚不明确。

在这里，研究者报道了肝细胞Cul3敲除导致肥胖小鼠脂肪变性的快速解决，然而，肝细胞Cul3敲除小鼠对脂肪变性的显著抵抗并未导致整体代谢改善，而是引起全身代谢紊乱。肝脏转录组学分析发现，CRL3失活导致核因子红细胞2相关因子2 (NRF2)抗氧化防御途径持续激活，该途径也重新编程脂质转录网络以防止TG储存。此外，全球代谢组学研究显示，NRF2激活可诱导大量消耗NAD+的醛脱氢酶，从而增加细胞NADH/NAD+比率，这种氧化还原失衡被称为NADH还原应激，可抑制Cul3敲除肝脏中糖酵解-柠檬酸盐-脂肪生成轴。因此，NRF2诱导的细胞脂质储存缺陷促进肝神经酰胺积累，升高循环脂肪酸，并恶化全身胰岛素抵抗，形成恶性循环。

对肝脂肪变性的抵抗导致Cul3- LKO小鼠脂毒性肝损伤

图片来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2320934121

在肝细胞Cul3/ NRF2双敲除小鼠中，当NRF2激活和NADH还原应激被消除时，肝脏脂质积累恢复，肝损伤和高血糖减轻。在NRF2激活的肝细胞Keap1敲除小鼠中观察到对肝脂肪变性、高血糖和NADH还原应激的抵抗。也就是说，该研究确定了CRL3在肝脏代谢调节中的关键作用，并证明CRL3下游NRF2过度激活导致肝脏代谢不适应肥胖和胰岛素抵抗。

预防NRF2激活可显著逆转Cul3/ NRF2 - DKO小鼠的肝脏代谢失调

图片来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2320934121 

综上所述，研究者证明了肝脏Cul3功能的丧失是如何导致对肥胖的不适应，从而导致代谢紊乱的发展。在机制上，研究者发现NRF2是CRL3失活下游的关键效应因子，并证明持续的NRF2激活可以协调地改变脂质代谢转录程序和氧化还原稳态，从而导致肝脏代谢不灵活性。这些途径和靶点的识别不仅将提高人们对CRL3在健康和疾病中的作用的机制理解，而且还可能为选择性靶向NRF2独立的CRL3调节途径作为潜在的治疗策略建立分子基础。需要进一步研究CRL3在各种器官和疾病中的遗传和药理学调节来填补这些知识空白。 (生物谷 Bioon.com）

参考文献：

Lijie Gu et al. Cullin 3 RING E3 ligase inactivation causes NRF2-dependent NADH reductive stress, hepatic lipodystrophy, and systemic insulin resistance. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Apr 23;121(17):e2320934121. doi: 10.1073/pnas.2320934121.