禁食通过Bmal1/Rev-erbα/Nrf1/Sglt2通路调控近端肾小管葡萄糖重吸收的昼夜节律机制

《Nature Communications》：Fasting hijacks proximal tubule circadian control mechanisms to regulate glucose reabsorption via the Nrf1/Sglt2 pathway in mice

本研究揭示了禁食/再喂养通过调控近端肾小管昼夜节律核心基因Bmal1，经Rev-erbα/Nrf1通路调节Sglt2表达和葡萄糖重吸收的新机制。研究人员发现禁食时胰高血糖素通过激活Bmal1/Rev-erbα信号轴抑制Nrf1介导的Sglt2转录，从而降低肾脏葡萄糖重吸收能力；再喂养时该过程被逆转，为糖尿病治疗提供了新的靶点和时间治疗学策略。

　　

在当今社会，糖尿病已成为威胁全球健康的重大公共卫生问题。据美国疾病控制与预防中心数据显示，2021年糖尿病影响了美国3840万人口，显著增加了高血压、非酒精性脂肪肝、肾脏疾病、心脏病发作、中风和某些类型癌症的发病风险。除了缺乏运动和不良饮食习惯外，近年研究发现昼夜节律紊乱也是糖尿病的重要危险因素，如轮班工作、每晚睡眠不足6小时和社会时差等可使2型糖尿病风险增加10-40%。

肾脏在葡萄糖稳态中扮演着双重角色：既能通过糖异生产生葡萄糖，又能通过近端肾小管重吸收过滤的葡萄糖。其中，钠-葡萄糖协同转运蛋白2（SGLT2）负责超过90%的肾脏葡萄糖重吸收，是gliflozin类降糖药物的作用靶点。然而，关于昼夜节律系统如何调控肾脏葡萄糖重吸收的机制尚不清楚。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，研究人员发现了一个令人惊讶的现象：禁食和再喂养能够"劫持"近端肾小管的昼夜节律控制机制，通过Bmal1/Rev-erbα/Nrf1通路精细调节Sglt2的表达和功能。这一发现不仅揭示了肾脏葡萄糖处理的新调控机制，也为理解昼夜节律紊乱如何增加糖尿病风险提供了重要线索。

研究团队采用了一系列先进的技术方法，包括：使用野生型和基因敲除（Bmal1^-/-、Nr1d1^-/-）小鼠模型进行禁食/再喂养干预；分离肾刷状缘膜囊泡（BBMVs）和原代肾近端小管上皮细胞（RPTECs）进行葡萄糖摄取测定；应用小干扰RNA（siRNA）和腺病毒载体进行基因敲低和过表达实验；通过染色质免疫沉淀（ChIP）分析转录因子与靶基因启动子的结合；利用精准肾切片（PCKs）和逆行输尿管注射技术进行体内外葡萄糖重吸收评估。

葡萄糖重吸收在肾上皮细胞中受禁食和再喂养调节

研究人员发现小鼠肾刷状缘膜囊泡在夜间表现出更高的葡萄糖重吸收能力。禁食24小时显著降低了α-甲基葡萄糖（αMG）的重吸收，而再喂养则能逆转这一效应。在人和小鼠肾近端小管上皮细胞中，血清剥夺（模拟禁食）同样降低了葡萄糖摄取，血清补充（模拟再喂养）则能恢复摄取能力。这些结果证实肾脏葡萄糖重吸收能力确实受到营养状态的动态调节。

禁食和再喂养调节肾近端小管Sglt2表达

机制研究表明，禁食降低而再喂养增加Sglt2的mRNA和蛋白水平，而Sglt1的表达变化不明显。Sglt2基因敲低实验证实其在葡萄糖重吸收中的主导作用，敲低后细胞对禁食/再喂养的处理不再产生响应。

禁食和再喂养影响Nrf1表达

核呼吸因子1（Nrf1）被鉴定为Sglt2的关键转录调节因子。禁食时Nrf1表达下降，再喂养时上升，其变化模式与Sglt2高度一致。生物信息学分析发现小鼠Sglt2启动子区域存在一个Nrf1结合位点。

Nrf1在禁食和再喂养期间受Bmal1调节

Bmal1作为昼夜节律核心基因，被发现是Nrf1的上游调节因子。令人意外的是，Bmal1敲低或基因敲除反而增加Nrf1和Sglt2表达，表明Bmal1通过间接机制抑制Nrf1。

Rev-erbα是Bmal1下调Nrf1和Sglt2所必需的

研究显示Bmal1通过诱导Rev-erbα（核受体亚家族1，D组，成员1）表达来间接抑制Nrf1。Bmal1缺陷小鼠肾脏中Rev-erbα表达降低，而Nrf1和Sglt2水平升高。Rev-erbα激动剂hemin处理能抑制Nrf1和Sglt2表达，降低葡萄糖重吸收。

Bmal1和Rev-erbα调控Nrf1的分子机制

染色质免疫沉淀实验证实Bmal1和Rev-erbα都能直接结合Nrf1启动子区域。Rev-erbα结合在雌性小鼠中更强，而Bmal1结合在雄性中更显著，这可能是性别差异的基础。

Bmal1介导的肾脏葡萄糖重增加依赖于Rev-erbα

体内实验表明，Bmal1缺陷小鼠表现出更高的葡萄糖重吸收能力，而hemin处理能逆转这一现象，证实Rev-erbα在Bmal1信号通路中的关键作用。

禁食诱导Bmal1表达

禁食24小时增加肾脏Bmal1和Rev-erbα蛋白水平，降低Nrf1和Sglt2表达；再喂养8小时后这些变化被逆转。Bmal1缺陷小鼠对禁食/再喂养的处理无响应。

胰高血糖素增强Bmal1表达

研究人员进一步探索了营养信号与昼夜节律的交叉对话，发现胰高血糖素能诱导Bmal1和Rev-erbα表达，进而抑制Nrf1和Sglt2。相反，胰岛素表现出相反效应。MAPK信号通路参与介导这一过程，MAPK抑制剂能阻断禁食诱导的葡萄糖重吸收下降。

研究结论与讨论部分强调，这项工作首次将三条重要通路（禁食/再喂养、胰高血糖素/胰岛素信号和昼夜节律）与四个关键蛋白（Bmal1、Rev-erbα、Nrf1和Sglt2）联系起来，阐明了它们共同调控肾脏葡萄糖重吸收的生理机制。从生理学角度看，禁食期间Sglt2的抑制有助于在血糖和过滤葡萄糖处于较低生理范围时限制近端小管的葡萄糖摄取能力；而进食后血糖水平升高，Sglt2表达增加则有利于葡萄糖的保存。

该研究的创新性在于揭示了肾脏近端小管Bmal1作为葡萄糖重吸收的重要调节因子，是禁食-再喂养反应的重要组成部分。研究还发现性别差异现象：雄性小鼠近端小管Sglt2水平高于雌性，Bmal1与Nrf1启动子的结合在雄性中更强，这可能是性别差异的分子基础。

这项研究的重要意义在于为糖尿病治疗提供了新的思路：重新同步昼夜节律系统或特异性干预肾脏Bmal1/Rev-erbα/Nrf1通路可能有助于正常化SGLT2介导的葡萄糖过度重吸收。这种策略可以与其它抗高血糖疗法（如二甲双胍或GLP1受体激动剂）联合使用，或用于不能耐受SGLT2抑制剂的患者。此外，研究还提示考虑现有药物的服药时间可能会提高疗效，在重吸收活性较高时给予减少葡萄糖重吸收的药物可能更有效。

该研究通过整合多种先进技术方法，在细胞、组织和小鼠整体水平上提供了令人信服的证据，阐明了营养状态如何通过调控肾脏局部昼夜钟机制来调节葡萄糖重吸收的精细分子通路，为理解代谢性疾病的发生机制和开发新型治疗策略提供了重要理论基础。