Science 解读-Zfp423 基因敲除可增加脂肪细胞产热
2023-01-05 来源:MedChemExpress 点击次数:1225众所周知，肥胖发展的根本原因是营养过剩的情况下能量摄入和消耗的不平衡。减肥不外乎“管住嘴，迈开腿”，讲究一个热量赤字。然而，锻炼太累，难以坚持，节食又伤胃。有没有不用运动，又不影响健康的两全其美之法呢？
最近，美国西北大学范伯格医学院的 Joseph Bass 团队在 Science 杂志上发表了最新研究 Time-restricted feeding mitigates obesity through adipocyte thermogenesis 。该研究揭示了一种限时进食法 (time-restricted feeding, TRF)，即只在生物钟的活动期进食 (如小鼠的活动期为夜间，人类的为白天)，脂肪组织就会通过增加产热控制体重的增加[2]。研究表明，在小鼠上进行限时进食法几乎没有副作用，合理减重的同时，还可改善机体代谢健康，延长寿命[3,4]。
那么，作者团队是如何研究的呢？原理是什么？
■ 进食节律紊乱会导致的肥胖，与热量消耗减少有关
研究者们发现，仅在白天 (非活动期) 喂食的小鼠体重往往增加得更快。为了探究这种进食节律与体重增加的关系，研究者们将幼年小鼠分为三组 (图 1a)：全天任意时间、仅白天 (非活动期) 和仅夜间 (活动期) 的等量高脂喂食 (HFD)，并将小鼠置于热中性环境中 (30℃，这个温度被定义为小鼠用于维持体温所消耗的能量最小的温度)，以便于探究进食诱导的能量消耗对体重增加的影响。
喂食一周后，研究者们发现，与只在夜间 (活动期) 喂食 HFD 的小鼠相比，只在白天 (非活动期) 喂食的小鼠体重显著增加 (图 1a)，并且出现呼吸交换比节律 (RER) 的改变 (图 1b) (RER: 代谢产生的 CO2 与 O2 摄入量的比率)。以体重作为协变量的能量消耗分析显示，只在夜间 (活动期) 进食的小鼠的总能量消耗与体重比的斜率高于只在白天 (非活动期) 进食的小鼠 (图 1c)，即在同一体重下夜间进食组小鼠的总能量消耗更大。
这表明，在夜间 (活动期) 喂食的小鼠体重正常，而在白天 (非活动期) 喂食会导致小鼠的肥胖，部分原因是进食诱导的能量消耗减少。
图 1. 进食节律紊乱通过减少能量消耗导致肥胖[2]
a. 实验设计，喂食分组：任意时间，限制在白天期（ZT0-12）或限制在夜间期（ZT12-24)。b. 在 HFD 喂食的第 0 天和第 7 天，三个分组的小鼠体重 (n = 5)。c. 呼吸交换比节律（RER）的变化。d. 在 HFD 第 7 天，24 小时内总能量消耗 (EE) 与体重的比值；每个点代表一只小鼠。
时钟基因，调控脂肪产热的关键
■ Zfp423 基因敲除可增加脂肪细胞产热，进而抵抗肥胖
为了确定提高脂肪细胞的产热是否可以缓解体重增加，并抵抗错误节律进食导致的肥胖，研究者们使用了脂肪细胞锌指蛋白 423 (Zinc finger protein 423，Zfp423) 基因敲除小鼠 (Zfp423-KO) (图 2a)，该基因的敲除能导致产热增强。他们将 Zfp423-KO 小鼠置于产热激活最强的温度 (22-25℃) 下进行限时喂食 (TRF)。与对照组相比，脂肪细胞特异性 Zfp423-KO 的小鼠，即使在白天 (非活动期) 喂食 HFD，体重的增加也能被缓解 (图 2b)，糖耐量也会提高 (图 2c)。这表明，增强脂肪细胞产热可以减少非活动期进食导致的体重增加。
a. 脂肪细胞 Zfp423 的特异性缺失促进产热的模型。 b. 对照组和 Zfp423-KO 雄性小鼠 HFD 等热量 TRF 期间的体重。c. 葡萄糖耐量试验
为进一步探究 Zfp423-KO 小鼠增加细胞产热的机理，研究者们通过无偏代谢学分析评估脂肪细胞 Zfp423 特异性缺失后的稳态代谢物有什么不同 (图 3a)。结果表明，与对照相比，Zfp423-KO 脂肪细胞中具有 29 种差异丰富的代谢产物，其中肌酸、丙酮酸和乳酸增加，磷酸肌酸和 ATP 的减少 (图 3b)，这些代谢物的变化可能与脂肪代谢有着密切的关联。
此外，Zfp423-KO 脂肪细胞中的磷酸肌酸/肌酸 (PCr/Cr) 比值较低 (图 3c)。肌酸激酶 B (CKB) 是产热脂肪无效肌酸循环中主要的激酶同工酶，脂肪细胞 Zfp423-KO小鼠肌酸激酶 B (CKB) 的丰度同样出现了增加 (图 3d)。这些证据表明，Zfp423 的缺失是通过增加呼吸、增加糖酵解的葡萄糖通量和增加肌酸循环来促进脂肪细胞产热的。
图 3. Zfp423-KO 的脂肪细胞稳态代谢物特征[2]
a. 差异丰度代谢物热图。b. 分化脂肪细胞中 ATP、ADP、肌酸 (Creatine) 和磷酸肌酸 (Phosphocreatine) 的相对丰度 (n = 6)。c. Zfp423-KO 小鼠的分化脂肪细胞 PCr/Cr 比值 (n = 4)。d. Western blot 检测对照组和脂肪细胞 Zfp423-KO 小鼠的 iWAT 中 CKB 和甘油醛磷酸脱氢酶 (GAPDH) 的变化。■ TRF 小鼠的 iWAT 和 BAT 脂肪细胞基因表达情况
脂肪细胞的生物钟是维持体温产热节律所必须的。为了评估 TRF 是否受脂肪组织中的生物钟影响，研究者们分析了热中性条件下 (30℃) 野生型雄性小鼠 TRF 一周后，用于存储能量的白色脂肪细胞 (iWAT) 和用于产生能量的棕色脂肪细胞 (BAT) 中的基因表达情况。结果发现，无论是 iWAT 还是 BAT，只在夜间 (活动期) 喂食 HFD 的小鼠，核心时钟基因 Bmal1 表达幅度最高 (图 4a-b)，脂肪细胞产热最为旺盛。相反，只在白天 (非活动期) 喂食的小鼠表达幅度降低。这些证据表明，脂肪细胞的时钟基因可能对于TRF 引起的产热差异具有重要作用。
图 4. 任意时间进食和 TRF 对脂肪组织基因表达的影响[2]
野生型雄性小鼠在热中性条件下任意进食和限制进食 HFD 一周后，BAT (a) 和 iWAT (b) 中指示基因的表达。■ 脂肪细胞时钟基因 Bmal1 通过肌酸代谢调节健康
那么 BAT 和 iWAT 中时钟基因是否影响肌酸代谢的激活。研究者们使用了脂肪细胞 Bmal1-KO 小鼠。TRF 一周后，脂肪细胞 Bmal1-KO 的小鼠不管在白天期还是黑暗期，体重增加量都与仅在在白天期喂食的对照组小鼠相等，并有相似的葡萄糖耐量。表明脂肪细胞时钟基因在夜间期 TRF 过程中改善肥胖。研究者们对 Bmal1-KO 小鼠脂肪细胞进行基因和代谢组学分析，发现这些细胞肌酸丰度降低，这表明时钟基因通过肌酸循环调节健康。并且在给 Bmal1-KO 小鼠的喂食中额外添加了肌酸，肌酸的补充能极大地恢复脂肪细胞 Bmal1-KO 小鼠的体重控制 (图 5) 和葡萄糖稳态。
Bmal1-KO 雄性小鼠在热中性状态下全天任意进食添加 2% 肌酸的 HFD 6 周 (左)，每周摄食量 (中) 和 HFD 喂食第 5-6 周的白天期摄食量百分比 (右)。
上述证据表明，脂肪细胞时钟基因功能的降低可能通过破坏肌酸节律代谢来驱动 HFD 小鼠的代谢缺陷。为了验证这一点，研究者们培养了脂肪细胞特异性诱导Bmal1 (Bmal1-Tg) 的转基因小鼠。当给脂肪细胞 Bmal1-Tg 小鼠喂食 HFD 时，它们比对照组小鼠增重更少 (图 6b)，并且在明暗期耗氧量都显著增加，葡萄糖耐量得到改善，肌酸循环也有所增加。因此，放大脂肪细胞的核心时钟节律足以增加能量消耗，减少体重增加。
a. 实验设计表明，小鼠脂肪细胞中多西环素诱导的时钟激活因子 Bmal1 转基因表达增强了核心时钟的表达幅度。b. 对照组和 Bmal1-Tg 小鼠在热中性环境中，HFD 喂食 6 周的体重情况 (n = 7)。
该研究评估了 TRF 对体重的影响，发现节律紊乱，即只在生物体的非活动期进食的情况下，体重会增加更多，这种体重增加与脂肪细胞产热减少有关。进一步探究这种现象的背后机制，发现时钟基因的调控以及肌酸循环的作用至关重要。在非活动期进食，时钟基因会通过破坏肌酸循环，导致脂肪细胞产热功能受损，最终导致肥胖，值得注意的是，额外补充肌酸有助于改善这种现象。
人类的内在节律是活动期在白天，那么将进食限制在白天，减少或不在夜间的进食，脂肪细胞就会通过产热活动，帮你减肥。如果不可避免夜间进食，适当补充肌酸，也可有效控制体重。
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参考文献
[1] Parmar R M, Can A S. Dietary Approaches To Obesity Treatment[M]//StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing, 2022.[2] Hepler C, Weidemann B J, Bass J, et al. Time-restricted feeding mitigates obesity through adipocyte thermogenesis[J]. Science, 2022, 378(6617): 276-284.
[3] Anton S D, Lee S A, Pahor M, et al. The effects of time restricted feeding on overweight, older adults: a pilot study[J]. Nutrients, 2019, 11(7): 1500.2019.86781
[4] Acosta-Rodríguez V, Rijo-Ferreira F, Takahashi JS, et al. Circadian alignment of early onset caloric restriction promotes longevity in male C57BL/6J mice. Science. 2022, 76(6598):1192-1202.