在寒冷和运动等外界刺激下,人体内的棕色脂肪细胞和米色脂肪细胞会产生热量,被称为适应性产热。产热脂肪组织富含交感神经,而交感神经释放儿茶酚胺,刺激产热关键基因UCP1的表达。同时,棕色和米色脂肪细胞也通过分泌因子来调控交感神经支配,但具体的调控过程如何,目前还不大清楚。
同济大学医学院、同济大学附属同济医院栾冰教授领导的研究团队近日发现,产热脂肪细胞在儿茶酚胺刺激下分泌锌离子,促进交感神经的支配,进一步促进脂肪组织的适应性产热。这项成果发表在《Nature Metabolism》杂志上,为肥胖治疗提供了新的理论基础。
图片来源:《Nature Metabolism》
(https://www.nature.com/articles/s42255-023-00751-9)
研究材料与方法
在这项研究中,研究人员采集了18名肥胖者和19名清瘦者的皮下脂肪样本,并在小鼠的棕色脂肪组织(BAT)和皮下白色脂肪组织(scWAT)上开展了一系列实验,其中Mt2 KO(产品编号:S-KO-03263)、Mt2fl/fl(产品编号:S-CKO-03810)、Adiponectin-Cre小鼠购自赛业生物。研究者通过βIII-微管蛋白染色来测定神经突触的长度,并通过H&E染色和免疫荧光来测定UCP1产热基因的表达。之后通过离子质谱(ICP-MS)系统来检测锌离子。
技术路线
1. 在清除产热脂肪细胞或拮抗β3AR后,交感神经支配减少
2. 通过质谱等分析发现β3AR诱导产热脂肪细胞分泌锌离子
3. 通过体外和体内研究表明锌离子促进交感神经支配及产热
4. 肥胖诱导的MT2通过锌离子螯合作用降低产热脂肪细胞的锌离子分泌
5. 补充锌离子可改善小鼠肥胖
研究结果
β3AR诱导产热脂肪细胞分泌锌离子
研究人员首先使用白喉毒素来清除小鼠体内的UCP1阳性细胞,导致棕色脂肪组织(BAT)和皮下白色脂肪组织(scWAT)中的产热脂肪细胞几乎消失。有意思的是,研究者发现BAT和scWAT中的交感神经支配也减少了(图1)。考虑到脂肪细胞上的β3-肾上腺素能受体(β3AR)介导了交感神经元诱导的产热,研究者用β3AR激动剂CL316243刺激细胞,发现CL316243可促进米色脂肪细胞(而非白色脂肪细胞)的交感神经轴突生长,表明产热脂肪细胞通过一些分泌因子来促进交感神经的支配。
为了确定哪个离子介导了这种效应,研究者对CL316243刺激后的米色脂肪细胞培养基进行了离子质谱分析,发现培养基中上调最多的离子是锌离子(图1)。当血管基质组分(SVF)向米色或棕色脂肪细胞分化时,细胞内锌离子的含量逐渐增加。之后,研究者破译了β3AR诱导米色脂肪细胞分泌锌离子的机制,发现β3AR激活蛋白激酶A以诱导线粒体膜去极化,导致线粒体不断向细胞质和细胞外空间释放锌离子。
图1 UCP1阳性的产热脂肪细胞在β3AR激活后分泌锌离子[1]
锌离子促进交感神经支配及产热
接下来,研究人员将锌离子直接作用于原代交感神经元,发现锌离子刺激了这些细胞的轴突生长。同样地,向小鼠腹腔注射锌离子后,scWAT和BAT的交感神经支配增加,scWAT中的去甲肾上腺素水平也增加。这些结果表明,锌离子在体外和体内都能促进交感神经支配。研究者在进一步分析后发现,交感神经元中锌转运蛋白ZIP12介导的锌离子内流刺激了ERK信号通路激活和神经突触生长。在产热方面,注射锌离子的小鼠肩胛间温度升高,scWAT和BAT中的产热基因表达也上调。
MT2抑制交感神经支配和产热
肥胖的特点是脂肪组织的慢性炎症和低能量消耗,那么,以上机制是否在肥胖的发展过程中发挥了作用?研究人员发现,肥胖患者及小鼠脂肪组织中的交感神经支配下调,表明锌离子分泌存在缺陷。研究者对比了常规饮食(HD)和高脂饮食(HFD)喂养小鼠的脂肪组织中的锌伴侣蛋白,发现金属硫蛋白-2(MT2)是上调最多的基因(图2)。更重要的是,人类scWAT中MT2的表达与TNF和IL-1β等炎症基因的表达呈正相关,表明MT2的上调可能要归因于肥胖引起的巨噬细胞浸润和炎症。事实上,TNF和IL-1β等促炎细胞因子确实会刺激原代米色脂肪细胞中MT2的表达(图2)。通过进一步分析,研究者发现细胞因子刺激的ERK激活和锌转运蛋白ZIP介导的锌离子内流同时增加了脂肪组织中MT2的表达。
图2 肥胖通过炎症诱导的MT2表达抑制锌离子分泌[1]
接下来,研究人员将adiponectin-Cre小鼠与Mt2fl/fl小鼠(由赛业生物提供)交配,制备出脂肪组织特异性MT2基因敲除(Mt2 AKO)小鼠,以评估MT2是否解释了肥胖诱导的交感神经支配下调和产热缺陷。在β3AR激动剂处理后,Mt2 AKO米色脂肪细胞的培养基相对于WT米色脂肪细胞能够进一步促进神经突触生长,而在锌离子螯合剂TPEN预处理后,这种效应消失,表明米色脂肪细胞中MT2的表达对于通过锌离子调控交感神经支配至关重要。与WT小鼠相比,Mt2 AKO小鼠的scWAT和BAT中观察到更高的耗氧量(VO2)、产热基因表达和UCP1蛋白水平。这些结果表明,肥胖诱导的MT2通过锌离子螯合作用减少了产热脂肪细胞的锌离子分泌,抑制了交感神经的活性,最终导致能量消耗减少。
补充锌离子可改善小鼠肥胖
补充锌离子可以减轻体重,但其背后的机制还不清楚。研究人员想看看锌离子是否通过上述机制来改善肥胖。研究者发现,小鼠在连续一个月补充锌离子后,高脂饮食诱导的体重增加和肝脏脂肪变性得到改善,而通过6-羟基多巴胺(6-OHDA)局部破坏小鼠BAT和scWAT中的交感神经纤维后,锌离子处理的抗肥胖效应减弱(图3)。此外,通过手术切断进入BAT和scWAT的神经纤维后,锌离子对体重和产热的影响也减弱。这些结果表明,补充锌离子是通过促进scWAT和BAT的交感神经支配来改善肥胖。
图3 锌离子的补充通过促进交感神经支配来改善肥胖[1]
研究结论
这项研究发现了一种正反馈机制,即产热脂肪细胞与交感神经元相互调节,以促进适应性产热。当肥胖发生时,产热脂肪细胞数量减少,锌离子分泌功能受损,这导致scWAT和BAT中的锌离子水平降低,进而导致交感神经支配减少。这又会进一步导致产热脂肪细胞的数量和功能下降,使得肥胖进一步恶化。因此,促进这一反馈回路的方法可作为抗击肥胖的重要工具。
原文检索:
[1] Jiang, J., Zhou, D., Zhang, A. et al. Thermogenic adipocyte-derived zinc promotes sympathetic innervation in male mice. Nat Metab 5, 481–494 (2023). https://doi.org/10.1038/s42255-023-00751-9