C3G缺失通过PTBP1/PKM2轴损害肝细胞成熟并扰乱糖稳态的新机制

本刊推荐：为解决C3G在肝细胞分化与代谢调控中的作用未知问题，研究人员通过构建肝细胞特异性C3G敲除小鼠模型开展研究，发现C3G缺失导致肝细胞成熟障碍、糖代谢紊乱及酮体生成增强，其机制涉及PTBP1介导的PKM2上调和cAMP-PKA信号活化。该研究揭示了C3G作为肝细胞分化和代谢调控的关键分子，为代谢性疾病和肝病治疗提供新靶点。

　　

肝脏作为人体代谢中枢，其功能依赖于高度分化的肝细胞。然而，肝细胞如何实现完全成熟并维持代谢稳态的机制尚未完全阐明。C3G（又称RapGEF1）作为一种鸟嘌呤核苷酸交换因子，既往研究提示其在肝祖细胞和肝癌细胞中发挥重要作用，但在正常肝细胞中的功能仍属未知。尤其值得注意的是，C3G在成年肝细胞中表达水平较低，而在肝祖细胞和新生儿肝细胞中高表达，这种表达模式暗示其可能参与肝细胞分化过程。此外，C3G的主要下游靶点Rap1a已被证明可调节肝细胞代谢，这进一步激发了研究者探索C3G在肝细胞中潜在作用的兴趣。

为了揭示C3G在肝细胞中的生理功能，来自西班牙马德里康普顿斯大学的研究团队构建了肝细胞特异性C3G基因敲除小鼠模型（C3GKO^Alb），并通过多组学方法系统分析了该模型在肝细胞分化、代谢调控和应激响应等方面的表现。该研究近期发表于《Cell Death and Disease》（2025年16卷711期），为肝细胞生物学和代谢疾病机制提供了重要见解。

研究采用的关键技术方法包括：通过Cre-loxP系统构建肝细胞特异性C3G敲除小鼠模型；采用免疫组化、免疫荧光和Western blot分析肝细胞分化标志物和代谢酶表达；通过血清生化检测分析代谢参数；利用原代肝细胞培养研究胰岛素和胰高血糖素信号通路；采用RT-qPCR和Western blot研究PKM2剪接调控机制。

C3G缺失导致肝细胞损伤和成熟障碍

研究人员通过交叉育种获得Rapgef1^flox/flox;Albumin-Cre^+/-小鼠（C3GKO^Alb），证实肝细胞中C3G蛋白特异性缺失（图1A-D）。与野生型（wt）相比，C3GKO^Alb小鼠表现出明显的肝损伤特征：纤维化程度增加（α-SMA和胶原沉积）、血清转氨酶（AST/ALT）活性升高、肝脏巨噬细胞（F4/80⁺细胞）浸润增加（图1E-G）。更重要的是，C3G缺失导致肝细胞成熟受阻——甲胎蛋白（AFP）和干细胞标志物CD133表达上调，而肝细胞特异性核因子4α（HNF4α）和白蛋白（ALB）表达下降（图2A-E）。上皮标志物E-钙黏蛋白表达减少，间质标志物波形蛋白和EMT相关转录因子（Zeb1、Snai1、Twist1/2）表达增加（图2F-G），表明肝细胞呈现不完全分化和上皮-间质转化特征。

糖代谢稳态紊乱与PKM2剪接调控异常

C3GKO^Alb小鼠表现出显著的低血糖特征，血清葡萄糖水平降低，同时伴随胰岛素和胰高血糖素水平异常升高（图3A-C）。机制研究发现，肝细胞中C3G缺失通过上调PTBP1剪接因子，促使丙酮酸激酶基因从PKM1向PKM2亚型剪接转换（图3J-K），导致PKM2蛋白表达显著增加（图3D-F）。PKM2的上调进一步增强了糖酵解通量，表现为乳酸脱氢酶A（LDHA）表达升高和血清乳酸水平增加（图3G-I）。此外，糖原磷酸化酶（PYGL）活化形式增加和糖原储备减少（补充图6）表明糖原分解增强，这与低血糖表型看似矛盾，实则反映了代谢调控的复杂性。

胰高血糖素信号增强与胰岛素信号受损

原代肝细胞实验显示，C3G缺失显著增强了胰高血糖素通过cAMP-PKA通路介导的效应：糖异生关键酶G6pase和Pck1 mRNA表达增加（图4B-D），PKA底物磷酸化水平升高（图5A）。相反，胰岛素信号通路严重受损——Akt和ERKs磷酸化激活减弱，尽管胰岛素受体（IR）表达和酪氨酸磷酸化正常，但IRS1 Ser307反馈抑制磷酸化显著降低（图5C）。这种信号通路的失衡导致肝细胞对胰高血糖素的敏感性增加，而对胰岛素的响应减弱。葡萄糖耐量试验显示C3GKO^Alb小鼠血糖清除加速（图5D），可能与PKM2介导的糖酵解增强有关。

脂代谢重编程与酮体生成增强

C3G缺失还引起了显著的脂代谢重塑：乙酰辅酶A羧化酶（ACC）和脂肪酸合酶（FAS）表达增加（图6A-B），同时酮体生成关键酶HMGCS2表达上调（图6A），血清β-羟基丁酸水平升高（图6C）。这表明葡萄糖碳流可能转向脂肪酸合成，进而通过β氧化生成酮体。

空腹应激响应增强

在空腹状态下，C3GKO^Alb小鼠表现出更强的代谢适应能力：48小时空腹后肝细胞糖异生酶（Fbp1、Pck1）和酮体生成酶（Hmgcs2）表达显著高于野生型（图7D、8A），血清β-羟基丁酸水平进一步升高（图8C）。值得注意的是，PKM2表达在空腹状态下异常持续高表达（图7D），打破了空腹状态下通常抑制糖酵解的传统代谢模式。

研究结论与意义

该研究首次揭示C3G在肝细胞分化和代谢调控中的关键作用：C3G缺失导致肝细胞成熟障碍，表现为干细胞标志物保留和分化标志物缺失；通过PTBP1介导的PKM2剪接上调增强糖酵解；通过改变胰岛素和胰高血糖素信号通路平衡，导致糖异生和酮体生成增强。这些发现不仅解释了C3GKO^Alb小鼠出现低血糖、高酮血症和高乳酸血症的代谢表型，更重要的是提出了C3G-PTBP1-PKM2轴作为肝细胞代谢调控的新通路。

从病理生理角度，该研究为理解代谢性疾病中肝细胞功能异常提供了新视角：C3G表达下调可能通过促进PKM2表达和糖酵解，参与非酒精性脂肪肝和肝细胞癌的代谢重编程；胰岛素和胰高血糖素信号平衡的破坏可能与糖尿病发病机制相关。从治疗角度，针对C3G-PTBP1-PKM2通路的干预可能为代谢性疾病和肝病提供新的治疗策略。

该研究的创新性在于将传统上已知调节细胞增殖和分化的C3G蛋白与代谢调控直接联系，揭示了其在肝细胞能量代谢中的核心地位，为肝脏生物学和代谢疾病研究开辟了新的方向。