科研 | Cell Rep.: 肥胖SM/J小鼠棕色脂肪扩张与血糖功能障碍的缓解
编译：太阳味的风，编辑：小白、江舜尧。
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生活中人们普遍认为肥胖是饮食不健康的“恶果”，而现代医学认为肥胖是一项“代谢紊乱”，许多科学家致力于找到引发这一紊乱的原因并开发相关措施来抑制肥胖病。研究者从血糖控制入手，利用了形态学、生理学和转录组学手段对“SM/J小鼠模型中棕色脂肪细胞对高脂喂养的响应”进行研究，结果发现Sfrp1（分泌性皱褶相关蛋白1）可能是导致SM/J小鼠肥胖的一项机制。这项研究为改善肥胖疗法打开了大门。
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实验设计
实验结果
1. SM/J小鼠模型可以通过自身代谢在不减轻体重的情况下改善血糖参数
从高血糖饮食开始到30周时，尽管肥胖持续存在，但高脂喂养的SM/J小鼠的血糖与对照组无显著区别（图1A-1D）。与20周小鼠相比，30周高脂喂养的SM/J小鼠的血清和胰岛素水平显著增加，胰岛素敏感性随着血糖参数的改善而改善（图1E和1F）。值得注意的是，代谢激素，如脂联素、胰高血糖素、胰岛素样生长因子1和瘦素，在20到30周之间没有任何变化。此外，高脂肪喂养的动物随着年龄的增长，其基础血糖、葡萄糖耐量和胰岛素耐受性都得到改善。高脂肪喂养的C57BL/6J小鼠在空腹时血糖显著降低。与SM/J相比，高脂和低脂喂养的C57BL/6J小鼠在循环血糖方面仍然存在显著差异。此外，高脂喂养的C57BL/6J小鼠对葡萄糖不耐受，这种情况不会随着时间的推移而消失。
图1 SM/J小鼠在20至30周的血糖参数
（A）高脂肪喂养的小鼠体重显著高于低脂喂养的小鼠，并且SM/J小鼠在20至30周龄期间体重增加；在高脂肪喂养20周、高脂肪喂养30周、低脂喂养20周和低脂喂养的30周的处理组中，分别有140、106、78和48只小鼠用于实验；（B）30周龄高脂喂养小鼠的空腹血糖水平明显低于20周龄；（C和D）30周龄高脂喂养小鼠的葡萄糖耐量相对于20周龄有所改善；（E和F）降低空腹血糖、改善糖耐量、改善胰岛素敏感性的关系。
2. 高脂喂养的SM/J小鼠体内，肩胛间的棕色脂肪组织显著增大
随着血糖参数的测定，高脂喂养的SM/J小鼠体内，肩胛间棕色脂肪库显著扩大，这在低脂喂养的对照小鼠中是不可见的（图2A-2C）。这在其他小鼠品系中从未被报道过，研究者在任何年龄段都没有在相同饮食的LG/J系小鼠中观察到这种现象。为了解组织扩张的原因，研究者对脂肪细胞的大小和有丝分裂指数进行了量化。在20到30周之间，高脂肪喂养小鼠的平均细胞大小或与低脂喂养的对照组相比没有显著差异。两种饮食的小鼠在20周龄和30周龄之间都经历了脂肪组织体积的变化；然而，低脂肪组织在30周龄时明显倾向于更大的脂肪细胞（p=6.4e-7），而高脂肪组织在30周龄时形成明显趋向于较小的脂肪体积（p=2.2e-16）（图2D和2E）。这表明，高脂喂养小鼠棕色脂肪库的扩张并不是已有脂肪细胞脂质摄取增加的结果。使用有丝分裂标记物磷酸组蛋白H3染色棕色脂肪细胞量化显示，高脂肪喂养动物棕色脂肪中的有丝分裂指数具有升高的趋势，表明增加的重量可能是由细胞数量增加引起的。
对30周龄高脂喂养的SM/J小鼠脂肪库的组织学分析证实，脂肪组织体积扩张中的脂肪细胞是棕色脂肪细胞。转录组结果表面棕色脂肪基因（Ucp1、Cidea、Eva1、Prdm16、Pgc1a）的表达在20周和30周之间没有变化，也没有任何证据表明白色脂肪组织中存在“beiging”现象（白色变成棕色色）。棕色脂肪组织线粒体含量、核心体温或循环游离脂肪酸在高脂肪和低脂肪喂养组之间没有显著差异。因此，高脂喂养的SM/J小鼠的肩胛间脂肪库在扩张后保持棕色不依赖于整个动物变黑也与变温无关。
3. 扩张的棕色脂肪组织可以充当胰岛素刺激的葡萄糖库
如果棕色脂肪扩张与高脂喂养的SM/J小鼠的血糖直接相关，那么阻止或消除这种肥胖应使其血糖参数恢复到不健康状态。为了验证这些预测，研究者从高血糖的20周龄和正常血糖的30周龄小鼠身上移除了肩胛间棕色脂肪库。有趣的是，在20周龄小鼠移除棕色脂肪库不会影响血糖水平、胰岛素水平和葡萄糖耐量，这表明扩张的棕色脂肪位于主要信号的下游（图2F-2H）。然而，扩张前去除棕色脂肪库阻碍了胰岛素耐受性，30周时切除扩张组织会使测量值恢复到20周前（图2I）。这些结果强烈的证明了肥胖SM/J小鼠膨胀的褐色脂肪组织是胰岛素刺激的葡萄糖库。胰岛素刺激葡萄糖途径的关键成员Irs1和Glut4（图2J和2K）的增加表达也支持了这一观点。
图2 在30周龄高脂喂养SM/J小鼠体内脂肪扩张是改善胰岛素耐受性的必要条件
（A）20周龄和（B）30周龄高脂喂养雌性小鼠的代表性照片，30周大的动物体内有较大的棕色脂肪叶；（C）肩胛间棕色脂肪库占总脂肪量的比例；n=16-25只小鼠/队列；（D和E）高脂肪和低脂肪喂养处理组的细胞面积密度图；数据以log10标度绘制，以便于可视化；（F–H）空腹血糖（F）和胰岛素（G）以及葡萄糖（H）耐受性在扩张前（20周切除）或扩张后（30周切除）棕色脂肪库没有显著改变。
4. RNA测序显示差异表达的细胞因子和影响细胞外基质的基因显著上调
由于棕色脂肪组织的扩张是高脂喂养的SM/J小鼠所特有的，研究者预计棕色脂肪组织中会有相应的独特转录组变化。事实上，研究者在高脂喂养的SM/J棕色脂肪组织中发现了267个基因，其表达在20到30周龄之间发生显著和独特的变化。这些基因在相同动物的白色脂肪组织或低脂肪喂养的SM/J对照组中没有差异表达（图3A）。此外，它们在小鼠的LG/J株中没有差异表达，这些结果再次强调了这种现象的遗传基础。
过度表达分析表明，这些基因对于参与细胞因子-受体相互作（p=3.23e−6）、信号受体活性（p=5.70e−6）、细胞表面受体信号（p=2.04e−7）和细胞外基质（ECM）成分（p=7.93e−13）（图3B）。一个有趣的结果是，棕色脂肪被确定为影响葡萄糖稳态的影响因素；而细胞外基质的变化对于组织扩张、细胞信号传递和生长因子生物利用度的调节至关重要。然而，ECM蛋白水平的极端变化与肥胖患者的脂肪功能障碍相关；因此，必须在组织重塑和ECM蛋白过度积累之间取得良好的平衡，以维持脂肪组织的动态平衡。其他饮食诱导肥胖小鼠模型发育出不健康的棕色脂肪转录体，其特征是促炎基因和纤维化标记物的表达增加。SM/J棕色脂肪组织表达方向的改变支持了该小鼠模型的独特性。
图3 高脂喂养的SM/J小鼠在20至30周龄之间具有独特的棕色脂肪差异表达
（A）维恩图显示高脂肪和低脂肪喂养的20周和30周龄SM/J肩胛间棕色或生殖性白色脂肪组织之间差异表达的基因数量；（B）高脂肪SM/J棕色脂肪中富含的差异表达基因；（C）属于细胞因子、细胞外基质或两者基因本体的差异表达棕色脂肪组织基因的热图。
5. 扩张的棕色脂肪组织中Sfrp1表达增加与糖耐量改善相关
Sfrp1作为一个候选基因受到了研究者的重点关注，它可能是SM/J高脂喂养小鼠棕色脂肪增加的基础。Sfrp1是一种抑制Wnt/β-catenin信号传导的细胞因子。Wnt/β-catenin信号传导促进成纤维细胞生殖，Sfrp1阻断Wnt信号以促进脂肪生成。在高脂肪喂养的SM/J棕色脂肪中，当小鼠增加其棕色脂肪库的大小并进入糖尿病缓解期时，其表达显著增加，但在动物白色脂肪中没有增加（图4A和4B）。此外，在高脂喂养的SM/J小鼠中，Sfrp1的表达与棕色脂肪库质量和葡萄糖耐量的改善显著相关（图4C和4D）。研究者进行了进一步分析，发现Sfrp1的表达对高脂喂养的SM/J小鼠糖耐量是由棕色脂肪团介导的（p=0.004）。来自人类全基因组关联研究（GWAS）的数据揭示了Sfrp1基因座中的几个变体，其中一个变体（rs973441）与根据体重指数（BMI）调整后的2型糖尿病显著相关（图4E）。这些数据进一步强调，SM/J的基因具有独特的变异，有助于棕色脂肪扩张和糖尿病缓解。研究者假设SM/J小鼠的DNA变体增加了Sfrp1，而Sfrp1又通过抑制Wnt/β-catenin信号来促进棕色脂肪的生成（图4G）。
图4 Sfrp1表达增加可能是棕色脂肪组织扩张的罪魁祸首
（A和B）高脂喂养动物的（A）棕色脂肪组织，而不是（B）白色脂肪组织中Sfrp1的表达增加。（C和D）在高脂喂养的SM/J小鼠（D）中，Sfrp1的表达与棕色脂肪团（C）和葡萄糖耐量的改善相关。（E）人类脂肪组织中SFRP1基因座区变异。（F）Sfrp1基因座区包含SM/J和LG/J菌株之间的多个变异。（G）促进棕色脂肪生成的Sfrp1模型。Sfrp1将Wnt与其受体分离，导致β连环蛋白的磷酸化和降解，从而允许脂肪生成的转录程序。
讨论
大多数棕色脂肪组织的研究集中在非颤抖产热对新陈代谢健康的影响。然而，棕色脂肪通过与葡萄糖稳态相关的分泌因子（例如，成纤维细胞生长因21[FGF21]、骨形态发生蛋白[BMP]、血管内皮生长因子a[VEGF]、白细胞介素6[IL-6]、神经调节蛋白4[NRG4]）的作用，协调多种生理过程。在接受棕色脂肪移植的动物中，胰岛素刺激的葡萄糖摄取增加，在肥胖糖尿病患者的研究中，胰岛素刺激的葡萄糖摄取量降低。在这里，研究者报道了肥胖小鼠棕色脂肪组织的自然扩张，可能是通过增加胰岛素刺激的葡萄糖吸收进入棕色脂肪组织。研究者发现胰岛素信号通路的两个关键因子的相应表达增加：Glut4，它介导胰岛素刺激；Irs1，是棕色脂肪分化所必需的信号。高脂喂养的SM/J小鼠棕色脂肪扩张可能是在高血糖失控前改善胰岛素敏感性的一种保护机制。
在肥胖的人类体内，皮下白色脂肪组织中SFRP1表达下调与胰岛素敏感性受损相关。此外，在伴有血糖功能障碍的肥胖患者中发现胰岛素表达不足。最后，高脂肪喂养的Sfrp1小鼠表现出葡萄糖代谢失调，白色脂肪组织中Glut4的下调。研究者发现，在扩张的棕色脂肪库中，Sfrp1的表达增加，这与Glut4表达的增加相一致，这是胰岛素刺激的葡萄糖摄取的潜在改善。尽管之前的研究仅在白色脂肪组织中进行，但研究者目前的数据符合一个模型，即分泌Sfrp1的棕色脂肪细胞可能以自分泌的方式刺激棕色脂肪的增殖，导致其作为胰岛素刺激的葡萄糖库的作用，从而改善葡萄糖耐量和胰岛素敏感性。
无论是通过非颤抖产热，还是脂肪因子的内分泌作用，利用棕色脂肪的潜力来治疗肥胖症和糖尿病都引起了极大的兴趣。棕色脂肪对全身代谢影响的研究尚处于初级阶段，需要合适的动物模型来验证其生理作用，并确定潜在的药物靶点。研究者提出的SM/J小鼠模型作为一个独特的模型可以满足这一需要。SM/J小鼠提供了一个易于控制的遗传系统，在这个系统中可以理解棕色脂肪和肥胖时血糖控制之间的关系。了解SM/J小鼠的这种关系将为识别新的、潜在的药物靶点打开大门，以改善人类的血糖控制。