Nature Metabolism：少食多餐不如按时吃饭？组学揭秘肝糖原主导蛋白分泌节律新机制

进食调控的糖原代谢驱动肝脏蛋白分泌的节律性

2026年2月，澳大利亚昆士兰大学分子生物学研究所的相关研究人员在《Nature Metabolism》（IF:20.8）上发表了题为“Feeding-regulated glycogen metabolism drives rhythmic liver protein secretion”的研究论文，揭示了进食时间通过调控肝脏糖原分解，为蛋白质N-糖基化提供关键底物，从而驱动肝源性分泌蛋白昼夜节律的核心机制。为理解代谢疾病与昼夜节律紊乱之间的分子机制提供了新视角，也为限时进食（TRF）等营养干预策略提供了理论依据。

  亮点概述：

• 肝脏蛋白分泌在人类和小鼠中均呈现由进食调控的昼夜节律，其节律性主要源于经典分泌过程。
• 这种节律性调控通过肝糖原分解发挥作用，为蛋白质N-糖基化提供必需底物，从而保障分泌蛋白的正确加工与节律性释放。
• 抑制糖原分解引发内质网应激，破坏分泌蛋白的折叠与释放，导致昼夜分泌节律减弱或丧失。

  研究背景：

肝脏合成并分泌大多数循环血浆蛋白，这些蛋白对器官间通讯和能量稳态至关重要。同时，肝脏生理活动遵循普遍的昼夜（24小时）节律，该节律由生物钟系统调控。依赖视交叉上核节律活动的进食-禁食周期是外周生物钟（如肝脏）的主要同步器。限时进食（TRF）模式的益处与高振幅的昼夜节律相关，突出了进食时间、昼夜节律以及整体健康维持之间的复杂联系。

分泌蛋白通常通过经典分泌途径进行转运，包括在内质网（ER）和高尔基体（GA）中对蛋白质进行正确折叠和翻译后修饰（例如N-糖基化），随后运输至细胞膜进行分泌。而错误折叠的蛋白质则会激活ER应激，进而引发未折叠蛋白反应（UPR）和内质网相关降解（ERAD）以维持细胞稳态。肝脏蛋白质分泌的失调与多种系统性疾病相关，如肥胖，这些疾病同样与昼夜节律和进食-禁食节律的紊乱有关。然而，这些关联背后的因果机制目前仍知之甚少。

首先，为深入探究人类血浆蛋白质组的昼夜节律特征并阐明进食时间的作用，研究人员对两个独立的健康男性队列进行了研究。志愿者被分配至两种饮食模式：（1）定时进食模式：参与者保持常规早餐习惯，然后接受标准化的午餐（12:00）、晚餐（18:00）和提供零食；（2）分散进食模式：受试者在08:00至22:00时间段每小时摄入营养均衡溶液，以满足个体化代谢需求并维持能量平衡。通过每4小时采集一次血样进行基于适配体的蛋白质组学检测，发现昼夜节律性循环蛋白几乎仅在定时进食的参与者中被检测到。对特定器官蛋白质鉴定的结果表明，肝脏是循环蛋白的主要来源，贡献了大部分具有昼夜节律的器官特异性蛋白，其中50%的肝脏特异性蛋白在约17:00达到分泌高峰。

为深入探究定时进食的作用，研究人员进一步将野生型（WT）小鼠分为自由进食组（AL）和8小时TRF组，后者包括与活动节律对齐的夜间限制（NR）和与活动节律错位的白天限制（DR）。结果发现，与AL组相比，TRF小鼠的食物摄入量减少、体重降低，且通过差异节律性分析证实了时钟基因和时钟调控基因的节律性受摄食节律的调控。另外，蛋白质组结果表明99%的节律性血清蛋白受进食方案变化的影响而发生差异。这些发现共同揭示了食物摄入时间对塑造昼夜血液蛋白质组中的关键作用。

人类和小鼠血液蛋白的昼夜节律受进食影响

研究人员应用了一套综合预测框架和小鼠肝脏的体外分泌检测证实了肝脏来源循环蛋白的节律性主要源于经典分泌过程。随后，肝脏微粒体的蛋白质组学研究发现ER和GA中参与早期分泌途径的蛋白质（如蛋白质N-糖基化和折叠）表现出节律性表达。由此推测肝脏蛋白质的昼夜分泌可能受糖基化底物可用性波动的驱动，尤其是尿苷二磷酸（UDP）糖类，它们是N-糖蛋白合成所必需的前体。通过对小鼠肝脏代谢物的时序监测发现：葡萄糖和糖原水平均呈现节律性，UDP-糖，特别是UDP-葡萄糖和UDP-半乳糖表现出显著的节律性，其波动幅度更高且峰值相位与葡萄糖和糖原相反。鉴于在AL条件下小鼠主要在暗夜进食，该结果强烈表明UDP-糖来源于糖原分解而非饮食中碳水化合物。

接着，研究人员通过对比Bmal1敲除（KO）与Cry1/2-KO两种生物钟紊乱小鼠模型探究生物钟对肝脏糖原代谢节律的调控作用。发现仅Bmal1缺失导致糖原合成酶2（Gys2）表达显著下降、糖原磷酸化酶L（Pygl，一种糖原分解酶）异常升高且失去节律；而Cry1/2缺失对糖原节律影响较小。随后，通过比较两种生物钟基因KO模型与WT小鼠的肝微粒体分泌蛋白质组动态，同样发现分泌蛋白节律紊乱是Bmal1-KO特异性的，且导致ALB、FN1、C3等肝源性蛋白在血清和肝脏中水平显著下降。综合这些发现表明，BMAL1调控的肝脏糖原代谢可能是驱动节律性蛋白分泌的潜在机制。

Bmal1缺陷除影响昼夜节律外，还会损害肝脏糖原代谢和蛋白质分泌

为验证肝糖原是否驱动蛋白质糖基化与分泌，研究人员在WT小鼠糖原水平达峰值点注射PYGL抑制剂CP-91149来抑制肝脏糖原分解。小鼠肝脏N-糖基化蛋白质组结果显示，CP-91149处理后蛋白质N-糖基化和循环C3水平水平出现短暂下降。为避免体内实验可能存在的代偿效应，研究人员将实验扩展至AML12小鼠肝细胞系。通过代谢组学检测发现CP-91149处理3小时内显著降低了UDP-葡萄糖和UDP-半乳糖的水平，并改变了其他糖基化底物以及葡萄糖或糖原代谢的下游代谢物。与体内结果类似，CP-91149处理显著降低了AML12细胞中N-糖蛋白的丰度，同时抑制了糖基化蛋白（如FN1、C3）与非糖基化蛋白（如ALB）向培养基的分泌。这些结果共同证实，PYGL介导的肝糖原分解是糖基化底物合成及后续蛋白质N-糖基化与分泌的必要条件。补充外源性UDP-葡萄糖能选择性恢复C3的分泌，但对ALB无效，这表明糖基化蛋白与非糖基化蛋白在肝脏蛋白质分泌过程中对UDP-葡萄糖的依赖性存在差异，并提示非糖基化蛋白的分泌调控可能涉及其他机制。

PYGL依赖性糖原分解调节糖基化与蛋白质分泌

为深入理解PYGL介导的肝脏蛋白质分泌机制，研究人员对CP-91149处理的AML12细胞进行了RNA-seq分析，发现CP-91149主要通过激活ATF4通路诱导ER应激并激活UPR，进而增强ERAD并减少ALB、FN1和C3等分泌蛋白的积累，这一现象在小鼠肝脏体内实验中也得到了验证。表明PYGL介导的糖原分解通过调控ER应激与UPR通路，进而调节肝细胞蛋白质的分泌与稳定性。接着，研究人员用Salubrinal（SAL）处理AML12细胞以验证缓解ER应激是否能恢复蛋白质分泌。SAL是eIF2α磷酸酶的选择性抑制剂，可通过稳定磷酸化eIF2α调控UPR的PERK–ATF4分支，从而减轻ER应激。结果发现SAL处理显著增加了非糖基化ALB的分泌，但对CP-91149处理引起的蛋白分泌障碍无效，表明糖基化应激会覆盖eIF2α介导的ER应激缓解作用。这些数据共同说明糖基化缺陷引发ER应激并激活UPR和ERAD途径，这些途径会对糖基化和非糖基化蛋白质的分泌和降解产生不同的影响。

PYGL依赖性糖原分解调节ER应激介导的UPR与ERAD通路

为评估上述发现与代谢疾病及TRF的相关性，研究人员利用瘦素缺陷型Ob/Ob小鼠（一种伴有肝葡萄糖和糖原代谢异常的肥胖模型）分析了循环蛋白的时间分布。差异节律性分析显示，TRF条件下Ob/Ob和WT小鼠中升高的糖原水平与节律性血浆蛋白数量呈负相关，提示糖原分解减弱与分泌蛋白节律丧失密切相关。还发现ER应激/UPR相关基因表达在AL-WT小鼠中呈12小时超昼夜节律，但在Ob/Ob或Bmal1-KO小鼠中该节律被破坏，表现为特征峰消失。证实了无论是由肥胖还是热量限制引起的糖原代谢受损，都与蛋白质分泌异常和生理ER应激的启动障碍有关。最后，研究人员聚焦于糖原积累症（GSD）及先天性糖基化障碍（CDG）两类代谢紊乱疾病，发现与GSD和CDG相关的基因的遗传变异会改变循环蛋白的水平，且这两种疾病所影响的蛋白存在显著重叠，印证了糖原代谢与蛋白质糖基化和分泌在人类中的内在联系。

TRF处理的Ob/Ob小鼠和WT小鼠表现出糖原代谢、ER应激及分泌蛋白节律减弱

综上所述，该研究重塑了我们对肝脏分泌功能的认知：肝糖原分解不仅是能量释放的过程，更是蛋白质糖基化所需糖供体的主要来源。当肝脏糖原代谢受先天性疾病、肥胖或进食时间扰乱时，肝源性蛋白的分泌节律会发生显著偏差，为代谢性疾病的慢性损伤提供了分子解释。