葡萄糖代谢的新见解：靶向ATP合酶与铬(III)营养补充剂改善血糖控制

最近，香港大学科学系化学系孙宏哲教授带领的研究小组发现，营养补充剂铬(III) (Cr(III))可以通过调节ATP合酶活性来增强细胞代谢葡萄糖的能力。这一过程改善了由高糖水平引起的线粒体变形，并显著促进了2型糖尿病小鼠的糖代谢。

　　

   

   

图片:铬(Cr3+)荧光探针可以特异性标记细胞中的Cr(III)结合蛋白(上)，Cr(III)结合蛋白集中在线粒体生物学功能的调节(右)，Cr(III)降低ATP合成酶活性(右下)，Cr(III)启动下游AMPK通路(下)，Cr(III)改善葡萄糖代谢(左下)，Cr(III)作用模式示意图(左)。

最近，香港大学理学院化学系在《自然通讯》上发表了一篇论文。研究人员发现，铬(III) (Cr(III))，一种营养补充剂，可以通过调节ATP合酶活性来增强细胞代谢葡萄糖的能力。这一过程改善了由高糖水平引起的线粒体变形，并显著促进了2型糖尿病小鼠的糖代谢。为了揭示Cr(III)的蛋白靶点并阐明其分子机制，该团队开发了一种用于检测瞬态金属蛋白相互作用的荧光探针，实现了HepG2细胞Cr(III)蛋白组的高时空分辨率跟踪。这导致了细胞内Cr(III)结合蛋白的鉴定。

研究小组随后发现，Cr(III)取代了镁离子(Mg^{2 +})，降低ATP合酶活性，激活下游AMPK通路，从而改善葡萄糖代谢。本研究为低血糖研究提供了新的思路。

“虽然Cr(III)化合物长期以来一直被用作糖尿病治疗、减肥和肌肉发育的营养补充剂，但它的蛋白质靶点和作用机制仍然被隐藏了半个多世纪。我们使用了一种新型荧光探针，以及其他化学生物学方法，揭示了Cr(III)生物化学的长期科学问题，并发现Cr(III)靶向ATP合酶来调节葡萄糖，”Hongzhe SUN教授评论道。

研究背景
糖尿病是一种慢性代谢疾病，全世界有5亿多患者，每年直接导致近200万人死亡。超过95%的糖尿病患者患有2型糖尿病(T2DM)，严重威胁着人类健康。Cr(III)对抗2型糖尿病的作用已在动物模型中得到广泛研究。自从最初发现在大鼠饮食中添加Cr(III)可以提高血糖去除率以来，Cr(III)已被广泛用于糖尿病治疗、减肥和肌肉发育的营养补充剂中。事实上，它是美国第二畅销的补充剂，仅次于钙矿物质。

尽管铬在食品和营养科学中具有重要意义，但它仍然是元素周期表中最不为人所知的过渡金属之一。半个多世纪以来，Cr(III)在人类生理中的重要性、药理特性和作用机制一直存在争议。最初设想的低分子量铬(III)结合肽(铬调素)从未被重复鉴定。Cr(III)被广泛认为可以改善葡萄糖代谢，维持正常血糖水平，调节碳水化合物和脂质代谢，并增强胰岛素信号。然而，其潜在的分子机制尚不清楚，揭示这种分子机制的瓶颈在于难以识别Cr(III)在细胞中的分子靶标。这些生物分子对于阐明Cr(III)的生理和药理作用至关重要，构成了所谓的铬生物化学的“圣杯”。

到目前为止，还没有在细胞或组织中发现直接结合Cr(III)的蛋白质。各种有争议的分离和检测方法往往产生较弱的Cr(III)信号，这可能是由于Cr(III)从其结合蛋白中解离。目前，还没有合适的方法来跟踪活细胞中的Cr(III)结合蛋白。对于与蛋白质弱或短暂结合的金属，用小分子荧光探针标记金属蛋白有助于了解其在活细胞中的时空分布和功能调控。

重要发现
在他们之前工作的基础上，该团队合成了一种荧光探针，用于跟踪和识别活细胞中的Cr(III)结合蛋白。探针由三个部分组成:荧光团(香豆素衍生物(AC)，金属螯合基团(即硝酸三乙酸酯(NTA))和光活性交联基团(即芳酰肼)。在与铬(III)螯合后，探针进入细胞，随后结合其靶蛋白，芳酰化基团在紫外线照射下与Cr(III)结合蛋白(即靶蛋白)形成共价键。这导致在下游纯化过程中，在细胞中固定Cr(III)结合蛋白而不解离。

利用这些探针，研究小组监测了活细胞中Cr(III)结合蛋白的分布，并发现它们集中在细胞的线粒体中。这些蛋白质是结合二维凝胶电泳和质谱鉴定的。研究人员发现，Cr(III)结合了ATP合酶活性位点上Thr213和Glu242的残基，取代了镁离子(Mg^{2 +})，降低ATP合酶活性，导致AMPK活化。AMPK通路可以缓解高糖引起的线粒体损伤，改善葡萄糖代谢。这种作用模式在二型糖尿病小鼠模型中被成功验证。本研究首次探讨了Cr(III)如何在分子水平上改善高血糖应激。随着多个Cr(III)结合蛋白的鉴定，本研究也为进一步研究Cr(III)在除抗糖尿病以外的其他疾病中的药理作用，如抗神经退行性疾病和抗衰老等开辟了新的视野。

审稿人高度评价了这项工作:“这是基础科学及其对人类健康的影响的一个非常重要的方面，它正是我们所需要的:分子目标的识别，在过去70年里，这一努力的成功相当有限。铬补充剂在世界范围内是一个巨大的市场(用于减肥和增肌)。关于它们的行动方式存在争议，拿我们的健康来赌博是相当值得怀疑的。因此，这项工作解决了一个重大的健康问题，需要仔细评估铬(III)对大量人群的保护或对他们的抗糖尿病作用的益处。作者用一种新的化学生物学方法和大量的生化、分子生物学和动物实验来解决铬生物学问题。”

文章标题

Mitochondrial ATP synthase as a direct molecular target of chromium(III) to ameliorate hyperglycaemia stress