細胞質還原應答驅動肝臟脂質重塑

會議／場次： ENDO 2026／ORF15
短講： ORF15-03｜Cytosolic Reductive Stress Drives Hepatic Lipid Remodeling
講者： Nirajan Shrestha

整理稿

演講背景與研究動機：細胞質還原應答與肝臟脂質代謝

演講者 Nirajan Shrestha（任職於美國麻省總醫院 Mass General Hospital 與哈佛醫學院 Harvard Medical School）首先聲明無任何需要揭露的財務利益關係。

還原應答（reductive stress）是一種代謝異常狀態，其特徵為細胞內還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）與氧化型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）的比值（NADH/NAD⁺ ratio）顯著升高。研究團隊先前已發現 $\alpha$ -羥基丁酸（ $\alpha$ -hydroxybutyrate, $\alpha$ -HB）可作為評估肝臟還原應答的血液循環生物標記（circulating biomarker）。

在全基因體關聯性研究（genome-wide association study, GWAS）與代謝物數量基因位置（metabolite quantitative trait locus, mQTL）分析中，與 $\alpha$ -HB 關聯性最強的 mQTL 位於 GCKR 基因（glucokinase regulator）。GCKR 為肝臟特異性基因，負責編碼葡糖激酶調節蛋白（glucokinase regulatory protein, GKRP），該蛋白質是肝臟葡糖激酶（hepatic glucokinase）的抑制劑。GCKR 是目前已知具高度多效性（pleiotropic）的 GWAS 基因座之一，與多項代謝性疾病終端特徵密切相關，包括第二型糖尿病（type 2 diabetes, T2D）、肥胖症（obesity）、胰島素阻抗（insulin resistance）、三酸甘油酯（triglyceride, TG）血清濃度以及成纖維細胞生長因子 21（fibroblast growth factor 21, FGF21）濃度。

研究團隊近期發現，GCKR 基因變異會引發 NADH/NAD⁺ 比值上升，進而活化碳水化合物反應元件結合蛋白質（carbohydrate-response element-binding protein, ChREBP）。ChREBP 為一種感應碳水化合物的轉錄因子，主導肝臟內的新生成脂作用（de novo lipogenesis, DNL）。

Slides 延伸補充：投影片第 3 頁呈現了代謝傳導途徑示意圖，指出 GCKR 基因變異位點（rs1260326）或乙醇（Ethanol）代謝皆會導致細胞內 NADH/NAD⁺ 比值上升，進而活化 ChREBP。被活化的 ChREBP 會進一步調升下游 DNL 相關基因，包括乙醯輔酶 A 羧化酶（Acaca）、脂肪酸合酶（Fasn）與丙酮酸激酶 L/R 型（Pklr）的表達，最終導致 FGF21 與三酸甘油酯（Triglyceride）顯著增加。投影片註明代謝特徵亦涵蓋脂肪肝疾病（steatotic liver disease），並引用 Speliotes EK et al., PLOS Genetics 2011; Singh C et al., Cell Metabolism 2024; Goodman RP et al., Nature 2020。

研究方法：建構細胞質還原應答之動物與細胞模型

為了深入探討細胞質還原應答對肝臟代謝的直接影響，研究團隊利用了一種新型代謝工具蛋白 EcSTH（可溶性轉氫酶，soluble transhydrogenase，來源為大腸桿菌 E. coli）。EcSTH 能催化電子從 NADPH 轉移至 NAD⁺（ $\text{NADPH} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{NADP}^+ + \text{NADH}$ ），從而專一性地提高細胞質內的 NADH/NAD⁺ 比值。

在動物實驗中，研究團隊利用腺病毒（adenovirus）載體將 EcSTH 送入 C57BL/6J 小鼠體內（Ad.EcSTH 組），並以轉殖綠色螢光蛋白的腺病毒作為對照組（Ad.GFP 組）。小鼠在接受病毒處置 4 天後進行犧牲與組織採集：

蛋白質表達驗證：西方墨點法（Western blot）結果顯示，在 Ad.EcSTH 處理組小鼠的肝臟組織中，帶有 FLAG 標籤的 EcSTH（FLAG-tagged EcSTH）呈現強烈且穩定的蛋白質表達。
代謝標記驗證：檢測小鼠血漿中還原應答的循環生物標記 $\alpha$ -羥基丁酸（ $\alpha$ -HB），結果顯示 Ad.EcSTH 組小鼠血漿中的 $\alpha$ -HB 濃度相較於對照組顯著增加（ $P = 0.0489$ ）。

上述結果證實，此腺病毒導引 EcSTH 之小鼠模型能夠成功且有效地在體內誘發肝細胞質還原應答。

Slides 延伸補充：投影片第 4 頁資料顯示，EcSTH 作用機制參考文獻為 Pan X et al., Nature Chem Biol 2024。圖表精確呈現 Ad.EcSTH 組之血漿 $\alpha$ -HB 相對濃度顯著高於 Ad.GFP 組（ $P = 0.0489$ ）。

研究結果：還原應答對肝臟與血漿三酸甘油酯之影響

在確認動物模型成功建立後，研究團隊進一步評估細胞質還原應答對脂質蓄積的影響：

體內實驗（In Vivo Mouse Model）：
- 血漿三酸甘油酯（Plasma Triglyceride）：Ad.EcSTH 誘導之還原應答使小鼠血漿中的三酸甘油酯濃度顯著高於對照組（ $P = 0.0021$ ）。
- 肝臟三酸甘油酯（Hepatic Triglyceride）：肝臟組織內的三酸甘油酯含量亦呈現顯著累積（ $P = 0.0074$ ）。
細胞自主性系統（Cell Autonomous System / In Vitro）：
- 為驗證此效應是否屬於肝細胞本身的自主性反應（cell-autonomous effect），研究團隊採用 AML12 小鼠肝細胞株進行細胞實驗。
- 在 AML12 肝細胞中表達 EcSTH 可顯著增加細胞內三酸甘油酯的堆積。
- 相反地，當細胞給予 LbNOX（來自短乳桿菌 Lactobacillus brevis 的 NADH 氧化酶，可將 NADH 氧化為 NAD⁺ 與水，進而降低 NADH/NAD⁺ 比值）時，細胞內三酸甘油酯濃度顯著下降；且 LbNOX 能有效逆轉 EcSTH 所引發的細胞內三酸甘油酯累積現象（EcSTH + LbNOX 組）。

Slides 延伸補充：投影片第 5 頁數據顯示，小鼠血漿三酸甘油酯（TG）單位為 $\text{mg/dL}$ ，肝臟三酸甘油酯單位為 $\mu\text{mol/L/mg}$ ；AML12 細胞實驗中明確劃分四組：對照組、EcSTH 組、LbNOX 組以及 EcSTH+LbNOX 聯合處理組，證實以 LbNOX 降低 NADH/NAD⁺ 比值可拯救還原應答導致的脂質堆積。

研究結果：肝臟脂質組學與轉錄組學分析

考慮到不同種類的脂質分子在病理生理學上具有不同的功能，研究團隊對小鼠肝臟組織進行了高度詳細的肝臟脂質組學（hepatic lipidomics）分析：

脂質組學表現（Hepatic Lipidomics）：
- 肝臟細胞質還原應答會導致肝臟內三酸甘油酯分子種類（triglyceride species, TG）廣泛且顯著地增加。
- 同時，磷脂醯膽鹼分子種類（phosphatidylcholine species, PC）則呈現顯著下降。
- 演講者特別指出，這種「TG 升高、PC 下降」的特定脂質組學特徵，與人類脂肪肝疾病（steatotic liver disease, SLD）患者臨床肝臟組織中所觀察到的脂質譜改變高度吻合。
轉錄組學表現（Hepatic Transcriptomics）：
- 為釐清脂質重塑的分子機制，研究團隊進一步進行肝臟轉錄組學分析。
- 分析結果顯示，ChREBP 的典型下游靶基因（canonical targets）呈現顯著上調，包括：
  - 脂肪酸合酶（Fasn）
  - 硬脂醯輔酶 A 去飽和酶 1（Scd1）
  - 丙酮酸激酶 L/R 型（Pklr）
- 此轉錄組學數據強烈提示，細胞質還原應答所引發的肝臟脂質組學重塑與脂質代謝異常，極可能高度依賴於 ChREBP 轉錄因子的活化途徑。

Slides 延伸補充：投影片第 6 頁展示了脂質組學與轉錄組學熱圖（heatmap）。脂質組學列出具代表性顯著改變之分子，如 TG(18:1_18:2_20:4) 上調與 PC(16:0_16:0) 下降等，並引用 Puri P et al., Hepatology 2007 證實此現象與人類脂肪肝患者脂質特徵一致。轉錄組學熱圖則明確標示 Ad.EcSTH 組中 Fasn、Scd1 與 Pklr 之基因表達量顯著高於 Ad.GFP 組。

總結與臨床展望

演講者 Nirajan Shrestha 對整體研究結果進行了以下四點總結：

升高的三酸甘油酯：肝臟細胞質還原應答會同時顯著增加肝臟內部及血液循環中的三酸甘油酯濃度。
重塑肝臟脂質組學：還原應答會改變小鼠肝臟的脂質組學圖譜，忠實重現人類脂肪肝疾病（steatotic liver disease）患者的脂質特徵（TG 增加、PC 減少）。
依賴 ChREBP 途徑：這種改變的肝臟脂質組學特徵極可能是依賴於 ChREBP 轉錄因子的活化所驅動。
潛在治療標的：肝臟氧化還原狀態（hepatic redox state）與還原應答浮現為治療代謝性疾病中脂質代謝失調（lipid dysregulation）極具前景的新型潛在藥物標的。

在致謝部分，演講者感謝其導師 Russell Goodman 醫師／哲學博士（MD, DPhil）以及 Goodman 實驗室成員（Byungchang Jin, PhD; Gloria Alvarez-Sola, PhD; Raquel Benede Ubieto, PhD; Andrew Zhang）、芝加哥大學合作者 Hardik Shah、Scintillon 研究所 Valentin Cracan 博士，以及資助單位 NIH、NIDDK 與美國內分泌學會（Endocrine Society）。

Slides 延伸補充：投影片第 7 與第 8 頁註明，演講者邀請對本研究有興趣的與會者於 6 月 14 日星期日，至海報展區海報編號 SUN-712 進行進一步交流。

現場問答

本場次口頭報告時間較為緊湊（約 3 分鐘 50 秒），現場未進行公開提問與回答。講者於演講結尾邀請對該研究細節、數據或機制有興趣的與會專家與學者，於次日（6 月 14 日星期日）至展覽區 Poster #SUN-712 海報展位進行深入討論與交流。