人类糖原蛋白GYG1和GYG2通过调控糖原代谢维持葡萄糖稳态的分子机制

本研究揭示了人类糖原蛋白GYG1和GYG2在糖原代谢中的协同调控机制。研究人员通过干细胞模型、结构生物学和生化分析，发现GYG1通过自糖基化启动糖原合成，而GYG2通过结合磷酸化糖原合酶(GS)抑制糖原形成，两者共同调控组织特异性糖原颗粒组装（α/β颗粒）。该研究解决了糖原代谢调控的核心问题，为糖原累积病(GSD)和糖尿病等代谢疾病提供了新的治疗靶点。

　　

糖原作为哺乳动物重要的能量储存形式，其代谢紊乱与多种疾病密切相关。然而，人类两种糖原蛋白GYG1和GYG2的功能差异及其调控机制长期未明。传统观点认为GYG2是冗余基因，但临床观察发现GYG1突变患者出现组织特异性病理表型，而GYG2缺失个体中部分伴随糖尿病症状，暗示二者可能存在协同调控网络。这些未解之谜促使科学家们深入探索糖原代谢的精细调控机制。

台湾大学和中央研究院的研究团队在《Nature Communications》发表重要成果，通过多学科交叉研究揭示了GYG1/GYG2的协同作用机制。研究采用人胚胎干细胞(hESC)模型结合CRISPR/Cas9基因编辑技术，构建了GYG1/GYG2单敲除和双敲除细胞系，并运用冷冻电镜(cryo-EM)、蛋白质互作分析和代谢组学等技术，系统阐明了两种糖原蛋白的分子机制。

关键技术方法

研究首先建立hESC基因编辑模型，通过CRISPR/Cas9构建GYG1^KO、GYG2^KO和双敲除(DKO)细胞系；利用冷冻电镜解析GS·GYG2复合物结构（分辨率2.84?）；采用Seahorse能量代谢分析仪检测细胞耗氧率(OCR)和细胞外酸化率(ECAR)；通过¹³C标记代谢流分析追踪葡萄糖和棕榈酸代谢途径；结合透射电镜(TEM)观察糖原颗粒形态差异。

主要研究结果

GYG1和GYG2在hESC中差异调控糖原合成

PAS染色和糖原定量显示，GYG1^KO细胞糖原含量显著降低，而GYG2^KO和DKO细胞糖原异常累积。免疫印迹发现GYG1缺失导致GYG2代偿性上调，但无法完全补偿GYG1功能。过表达实验证实GYG2通过结合磷酸化GS(pGS)抑制糖原合成，其Rossmann结构域自糖基化活性显著低于GYG1。

GYG2通过结构特征抑制糖原合成

冷冻电镜结构显示GS·GYG2复合物与抑制态GS·GYG1相似（RMSD 1.037?）。GYG2的C-loop区域缺乏稳定结构，导致其自糖基化位点Y228灵活性增加，无法有效启动糖原合成。结构域交换实验证实，将GYG1的Rossmann结构域移植到GYG2可恢复糖原合成活性。

动态互作调控代谢适应

时序免疫共沉淀(co-IP)显示：高糖条件下GYG1主要结合活性GS，而GYG2在糖原分解初期结合pGS。代谢应激时，GYG2表达与pGS水平呈正相关，这种调控在GYG1^KO心肌细胞中紊乱，导致异常糖原颗粒（类似临床GSD XV的polyglucosan bodies）。

组织特异性糖原颗粒组装

TEM分析揭示：表达GYG2的肝细胞和心肌细胞主要形成α颗粒（54-56nm），而神经元和骨骼肌（低GYG2表达）仅见β颗粒（25-28nm）。GYG1^KO心肌细胞中，PPARγ拮抗剂GW9662可降低GYG2/pGS水平，逆转异常糖原累积。

代谢重编程特征

¹³C代谢流分析显示：GYG1^KO细胞增强三羧酸循环(TCA)活性，而GYG2^KO细胞依赖糖酵解，这种代谢转换与糖尿病特征相似。

研究结论与意义

该研究首次阐明：

1）GYG1是主要的糖原引物，通过自糖基化(Y195)启动β颗粒合成；

2）GYG2作为"分子刹车"，通过结合pGS限制糖原合成并促进α颗粒组装；

3）二者动态平衡决定组织特异性糖原结构，失衡会导致代谢疾病特征。

这一发现为GSD和糖尿病提供了新的病理机制解释：GYG1突变导致心肌异常糖原累积，而GYG2失调可能通过改变糖原结构参与糖尿病发生。研究提出的PPARγ-GYG2调控轴为代谢疾病治疗提供了潜在靶点。冷冻电镜解析的GS·GYG2复合物结构也为药物设计奠定了结构基础。

这项工作突破了"糖原蛋白仅作为引物"的传统认知，揭示了糖原代谢的双重调控机制，为理解能量代谢调控提供了全新视角。