葡萄糖是機體能量的主要來源，經過代謝產生ATP支持各種生命活動，如酶促合成、胞內運輸、細胞增殖等。然而，它在控制蛋白質相互作用方面的作用沒有得到重視。

2022年11月，斯坦福大學的研究人員在bioRxiv上刊發了題為“Glucose modulates transcription factor dimerization to enable tissue differentiation”的文章，發現葡萄糖會在包括表皮在內的多種組織的分化細胞中積累并未引起代謝的增加，暗示葡萄糖本身可以作為分化過程的分子信號，作者還發現葡萄糖可以直接結合分化轉錄因子IRF6，增強分化基因的誘導。上述觀察表明葡萄糖的直接結合可能重塑分化必需蛋白的功能。

上述發現促使該團隊繼續找尋新的葡萄糖結合蛋白。2023年1月，該課題組在Cell發表了題為“Glucose dissociates DDX21 dimers to regulate mRNA splicing and tissue differentiation”的研究，發現葡萄糖解聚DDX21二聚體來調節mRNA剪接和組織分化。

研究人員確定了葡萄糖與各種RNA結合蛋白（RBP）的結合，包括DDX21 RNA螺旋酶，該酶被認為對表皮分化至關重要。葡萄糖與DDX21的ATP結合域結合，改變了蛋白質的構象，抑制了螺旋酶的活性，并使DDX21二聚體解離。在分化過程中，葡萄糖的升高與DDX21從核仁到核質的重新定位有關，DDX21在核質中組裝成含有RNA剪接因子的較大的蛋白質復合物。DDX21以葡萄糖依賴的方式定位于mRNA內含子中特定的SCUGSDGC結構域，并促進關鍵的促分化基因的剪接，包括GRHL3、KLF4、OVOL1和RBPJ。上述發現揭示出葡萄糖在調節組織分化相關的RNA解旋酶二聚化和功能中的作用機制。

研究通過兩種方法確定葡萄糖互作蛋白：1）親和層析純化葡萄糖結合蛋白；2）利用點擊化學反應抓取天然細胞內可與疊氮葡萄糖結合的蛋白（圖1A）。經質譜分析獲得目的蛋白，兩種方法同時捕獲到的蛋白共有91種，其中大部分為RNA結合蛋白，含量最豐富的是DDX21（圖1B、C）。由于RNA解旋酶的結構十分保守，層析法中還富集到另外31種RNA解旋酶，說明解旋酶是一類新發現的葡萄糖結合蛋白。接著通過微量熱泳動（MST）（圖1D）和熒光淬滅（Fluorescence quenching）（圖1E）分析證實葡萄糖可結合DDX21，親和力在微摩爾級別。

圖1 篩選葡萄糖直接結合的蛋白

ATP酶活性實驗顯示葡萄糖和ATP競爭結合DDX21（圖2A），突變體結合實驗提示DDX21結合葡萄糖需要其ATP結合結構域中的某些序列（圖2B）。分子對接（圖2C）和質譜數據分析（圖2D）確認葡萄糖結合DDX21的ATP結合結構域。微量熱泳動（MST）（圖2E）、免疫共沉淀和非變性膠實驗顯示葡萄糖可抑制DDX21的二聚化。活細胞中的臨近連接實驗（PLA）顯示在細胞分化過程中胞內的葡萄糖濃度升高，DDX21二聚體出現得更少，免疫熒光顯示DDX21單體主要存在于核質（圖2F）。總之，葡萄糖結合到DDX21的ATP結合結構域會改變其蛋白構象，影響其核仁到核質的重定位。

圖2 葡萄糖結合到DDX21的ATP結合結構域影響其核仁到核質的重定位

最后，作者通過敲除實驗證實DDX21是表皮分化必需的。進一步分析DDX21在葡萄糖調控的mRNA剪接中的作用，發現葡萄糖可能促使DDX21結合到某些特定的mRNA內含子以促使其剪接，而DDX21調節分化過程中的RNA剪接至少部分是通過直接結合葡萄糖來實現的，如對表皮分化和功能相關基因（如GRHL1-3、KLF4、OVOL1、RBPJ、JAG1、NOTCH3），DDX21會改變其分化相關外顯子的使用或內含子的保留。

葡萄糖抑制DDX21二聚化發揮作用的模式圖如下：

葡萄糖抑制DDX21二聚化發揮作用的模式圖

該研究挑戰了人們對葡萄糖的固有認知并提出代謝物可作為蛋白功能調節器的可能性，同時推測葡萄糖很可能還參與多種細胞過程的調節，并可能影響基因表達的不同步驟，從轉錄到轉錄后RNA代謝。代謝物不僅是機體表型的標志物，還可與蛋白直接結合調控蛋白功能，改變疾病相關信號通路，影響疾病進展。前期我們已經分享過一篇文獻“代謝組學研究2.0時代已經到來：發現代謝小分子的靶點蛋白是關鍵”，其中列舉了多篇高水平的文章，并揭示通過發現代謝物的直接作用靶點用以解釋代謝物的功能已成為高水平研究的標配。

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Miao W, Porter DF, Lopez-Pajares V, et al. Glucose dissociates DDX21 dimers to regulate mRNA splicing and tissue differentiation. Cell. 2023 Jan 5;186(1):80-97.e26.