葡萄糖是机体能量的主要来源，经过代谢产生ATP支持各种生命活动，如酶促合成、胞内运输、细胞增殖等。然而，它在控制蛋白质相互作用方面的作用没有得到重视。

2022年11月，斯坦福大学的研究人员在bioRxiv上刊发了题为“Glucose modulates transcription factor dimerization to enable tissue differentiation”的文章，发现葡萄糖会在包括表皮在内的多种组织的分化细胞中积累并未引起代谢的增加，暗示葡萄糖本身可以作为分化过程的分子信号，作者还发现葡萄糖可以直接结合分化转录因子IRF6，增强分化基因的诱导。上述观察表明葡萄糖的直接结合可能重塑分化必需蛋白的功能。

上述发现促使该团队继续找寻新的葡萄糖结合蛋白。2023年1月，该课题组在Cell发表了题为“Glucose dissociates DDX21 dimers to regulate mRNA splicing and tissue differentiation”的研究，发现葡萄糖解聚DDX21二聚体来调节mRNA剪接和组织分化。

研究人员确定了葡萄糖与各种RNA结合蛋白（RBP）的结合，包括DDX21 RNA螺旋酶，该酶被认为对表皮分化至关重要。葡萄糖与DDX21的ATP结合域结合，改变了蛋白质的构象，抑制了螺旋酶的活性，并使DDX21二聚体解离。在分化过程中，葡萄糖的升高与DDX21从核仁到核质的重新定位有关，DDX21在核质中组装成含有RNA剪接因子的较大的蛋白质复合物。DDX21以葡萄糖依赖的方式定位于mRNA内含子中特定的SCUGSDGC结构域，并促进关键的促分化基因的剪接，包括GRHL3、KLF4、OVOL1和RBPJ。上述发现揭示出葡萄糖在调节组织分化相关的RNA解旋酶二聚化和功能中的作用机制。

研究通过两种方法确定葡萄糖互作蛋白：1）亲和层析纯化葡萄糖结合蛋白；2）利用点击化学反应抓取天然细胞内可与叠氮葡萄糖结合的蛋白（图1A）。经质谱分析获得目的蛋白，两种方法同时捕获到的蛋白共有91种，其中大部分为RNA结合蛋白，含量最丰富的是DDX21（图1B、C）。由于RNA解旋酶的结构十分保守，层析法中还富集到另外31种RNA解旋酶，说明解旋酶是一类新发现的葡萄糖结合蛋白。接着通过微量热泳动（MST）（图1D）和荧光淬灭（Fluorescence quenching）（图1E）分析证实葡萄糖可结合DDX21，亲和力在微摩尔级别。

图1 筛选葡萄糖直接结合的蛋白

ATP酶活性实验显示葡萄糖和ATP竞争结合DDX21（图2A），突变体结合实验提示DDX21结合葡萄糖需要其ATP结合结构域中的某些序列（图2B）。分子对接（图2C）和质谱数据分析（图2D）确认葡萄糖结合DDX21的ATP结合结构域。微量热泳动（MST）（图2E）、免疫共沉淀和非变性胶实验显示葡萄糖可抑制DDX21的二聚化。活细胞中的临近连接实验（PLA）显示在细胞分化过程中胞内的葡萄糖浓度升高，DDX21二聚体出现得更少，免疫荧光显示DDX21单体主要存在于核质（图2F）。总之，葡萄糖结合到DDX21的ATP结合结构域会改变其蛋白构象，影响其核仁到核质的重定位。

图2 葡萄糖结合到DDX21的ATP结合结构域影响其核仁到核质的重定位

最后，作者通过敲除实验证实DDX21是表皮分化必需的。进一步分析DDX21在葡萄糖调控的mRNA剪接中的作用，发现葡萄糖可能促使DDX21结合到某些特定的mRNA内含子以促使其剪接，而DDX21调节分化过程中的RNA剪接至少部分是通过直接结合葡萄糖来实现的，如对表皮分化和功能相关基因（如GRHL1-3、KLF4、OVOL1、RBPJ、JAG1、NOTCH3），DDX21会改变其分化相关外显子的使用或内含子的保留。

葡萄糖抑制DDX21二聚化发挥作用的模式图如下：

葡萄糖抑制DDX21二聚化发挥作用的模式图

该研究挑战了人们对葡萄糖的固有认知并提出代谢物可作为蛋白功能调节器的可能性，同时推测葡萄糖很可能还参与多种细胞过程的调节，并可能影响基因表达的不同步骤，从转录到转录后RNA代谢。代谢物不仅是机体表型的标志物，还可与蛋白直接结合调控蛋白功能，改变疾病相关信号通路，影响疾病进展。前期我们已经分享过一篇文献“代谢组学研究2.0时代已经到来：发现代谢小分子的靶点蛋白是关键”，其中列举了多篇高水平的文章，并揭示通过发现代谢物的直接作用靶点用以解释代谢物的功能已成为高水平研究的标配。

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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.