转铁蛋白受体调控脂肪细胞产热及细胞命运的新机制

脂肪组织是参与调控全身能量代谢的重要器官,主要由三种脂肪细胞构成:白色棕色米色。白色脂肪用于贮存能量,而棕色脂肪用于消耗能量,通过非战栗性产热来维持体温恒定。活化棕色脂肪有助于机体抵抗能量摄入过多引起的脂肪堆积,从而抑制肥胖的发生。米色脂肪是近年来新发现可以被冷刺激或β3-肾上腺素受体激动剂诱导形成的一种产热脂肪,在治疗肥胖及相关代谢性疾病方面有极好的应用前景。通过深入了解白色脂肪米色样变及棕色脂肪形成和活化的分子调控机制,对于靶向干预促进棕色/米色脂肪产热具有重要的理论和实践意义。

微量元素在维持营养和能量代谢平衡中扮演重要角色。脂肪细胞铁稳态代谢的研究多集中在白色脂肪。在白色脂肪细胞分化过程中,通过DFO螯合细胞中铁离子或者敲降转铁蛋白(Tf)可以显著抑制脂合成;添加铁和Tf可以促进脂肪细胞脂解,抑制胰岛素刺激的葡萄糖吸收。遗传性低铁模型Tmprss6敲除小鼠脂肪组织铁含量减少,白色脂肪脂解增加,从而抵抗高脂膳食诱导的肥胖。然而铁稳态代谢对棕色脂肪细胞分化产热以及白色脂肪米色化的调控作用及其分子机制尚待深入研究

4月24日,浙江大学医学院王福俤闵军霞团队,以及广东省微生物研究所谢黎炜团队在国际著名学术期刊 Advanced Science(IF=15.804)发表题为:Transferrin Receptor 1 Regulates Thermogenic Capacity and Cell Fate in Brown/Beige Adipocytes 的研究论文。

该研究表明转铁蛋白受体(Transferrin Receptor 1, Tfr1)通过特异机制调控棕色/米色脂肪细胞功能和发育。在米色脂肪形成过程中,活化的缺氧诱导因子HIF1α通过转录调控Tfr1表达促进铁吸收从而维持线粒体功能;在棕色脂肪发育过程中,Tfr1以非铁依赖的方式调控棕色脂肪与白色脂肪、肌细胞的转分化。

研究人员在β3肾上腺素激动剂CL-316,243诱导米色脂肪形成的小鼠模型上,通过H3K9/14Ac ChIP-seq、RNA-seq和iTRAQ膜蛋白质组等多种组学技术发现铁稳态代谢被明显富集,并筛选出转铁蛋白受体Tfr1表达显著上调。随后发现Tfr1脂肪特异性敲除(Tfr1Adp/Adp)小鼠对冷不耐受,冷诱导的米色脂肪细胞形成被抑制,冷诱导的棕色脂肪产热和脂解减少,线粒体形态和铁稳态代谢异常(图一)

图一:Tfr1脂肪特异性敲除小鼠棕色/米色脂肪功能异常

在高脂膳食(HFD)诱导的肥胖模型下,Tfr1敲除虽然不影响食欲和体重,但是可加剧HFD诱导的脂代谢紊乱、胰岛素抵抗和脂肪组织炎症。

随后,研究人员对米色脂肪形成过程中Tfr1表达上调的分子机制进行了研究,发现缺氧诱导因子HIF1α蛋白表达和入核活化明显增加,棕色脂肪特异性敲除Hif1α (Hif1aUcp1/Ucp1)小鼠表现出冷诱导的米色脂肪生成被抑制,而棕色脂肪却未见明显改变。通过Chip-qPCR实验发现冷刺激可以诱导米色脂肪HIF1α与Tfr1启动子结合促进其转录。以上结果提示冷刺激诱导HIF1α活化,通过转录调控Tfr1表达控制铁吸收从而促进白色脂肪米色化。

为了解析Tfr1敲除导致棕色脂肪功能异常的机制,研究人员通过转录组分析发现Tfr1敲除可以明显增加干细胞、白色脂肪细胞和肌细胞标志基因表达,并对这些基因表达进行验证。从而表明Tfr1在棕色脂肪细胞命运决定中扮演重要角色。然而这一作用与Tfr1敲除造成的低铁状态无关,因为无论是遗传性低铁(Tmprss6-/-)小鼠模型还是孕期低铁饲喂均不能模拟Tfr1敲除引起的棕色脂肪细胞向肌细胞转分化,表明Tfr1可能通过非铁依赖的作用调控棕色脂肪细胞分化。然而Tmprss6-/-小鼠冷诱导的米色脂肪生成被抑制,表明铁稳态在白色脂肪米色化过程中起重要作用。Tfr1如何通过铁依赖与非铁依赖作用调控棕色/米色脂肪细胞产热和分化仍待进一步研究。

图二:Tfr1调控棕色/米色脂肪细胞产热和分化的模式图

总之,该成果发现Tfr1和铁稳态代谢在调控棕色和米色脂肪细胞产热和命运决定中的关键作用,并从机制上揭示了冷刺激诱导活化的HIF1α通过转录调控Tfr1促进白色脂肪米色化,这一重大发现将为脂肪细胞生理和机体铁稳态代谢提供新的认识,为肥胖及相关代谢性疾病机制探索和靶向治疗提供新的方向和思路。

浙江大学转化医学院李瑾博士后和广东省微生物研究所的潘潇寒研究助理为本文的共同第一作者。通讯作者为广东省微生物研究所谢黎炜研究员、浙江大学医学院/转化医学研究院闵军霞教授及医学院/公共卫生学院王福俤教授。该项目得到国家自然科学基金委及国家科技部项目资助。

点评专家:

刘平生(中科院生物物理所特聘研究员,中国生物物理学会总干事长,以脂滴研究为基础,长期从事脂质储存和代谢与相关疾病研究)

肥胖症已成为全球最大的慢性疾病,严重威胁人类健康。然而通过饮食和行为干预很难实现对肥胖相关代谢性疾病的长期改善作用。目前有一种切实可行的方式,就是通过药物干预增加脂肪酸和葡萄糖氧化。近年来研究发现的多种因子如β3-肾上腺素激动剂、FGF21、SLIT2和犬尿酸等可以促进全身能量消耗,增进胰岛素敏感性,从而抑制肥胖。而这些因子的主要作用机制是活化棕色脂肪产热和促进白色脂肪米色化,因而阐明决定棕色脂肪产热和白色脂肪米色化的关键调控过程,有利于我们寻找治疗肥胖等代谢性疾病的候选药物。

本文作者向我们展示了铁代谢在棕色和米色脂肪产热和分化中所扮演的重要角色。文章中指出Tfr1作为细胞吸收铁的重要受体,是肩胛骨棕色脂肪组织(iBAT)消耗脂肪酸并转化为热量所必需的。此外Tfr1还参与了腹股沟皮下白色脂肪(iWAT)向米色脂肪分化及产热。此外,文章中还利用遗传性低铁小鼠模型,发现脂肪组织铁含量降低时产热也减少,进一步表明铁稳态代谢在脂肪组织产热中的关键作用。尽管有研究报道体内铁稳态代谢失衡对脂肪组织产热产生影响,然而这篇文章表明了,脂肪组织铁稳态代谢的调控是以细胞自发性的行为来控制产热。

因此,该研究极大地丰富了我们对于脂肪组织生理的认识,明确了细胞铁稳态代谢是调控产热脂肪组织功能和转分化的关键因素,表明脂肪组织Tfr1是治疗肥胖等代谢性疾病的潜在靶点

肩胛骨棕色脂肪细胞与骨骼肌细胞同源,均是由Myf5+/Pax7+的前体细胞发育而来。目前已经报道的可以调控棕色脂肪与肌细胞转分化,大多是转录因子、microRNA和甲基化修饰酶,如Ebf2、Prdm16、ZFP516、EHMT1、microRNA-133和Mettl3等。该研究发现Tfr1敲除后棕色脂肪细胞去分化,并向白色和肌肉细胞转分化,表明Tfr1是控制棕色脂肪细胞命运决定的关键膜蛋白。然而这一过程不依赖于铁稳态代谢,展现了Tfr1除经典的铁吸收作用以外的非铁依赖作用。

有研究表明,Tfr1通过与Hfe结合调控Hepcidin表达;在小肠上皮细胞上特异性敲除Tfr1导致小鼠肠上皮细胞发育和功能异常,过表达Tfr1R654A突变体可以部分恢复肠上皮细胞功能,表明Tfr1通过非铁依赖作用调控小肠上皮细胞功能。因此,进一步深入研究Tfr1的信号转导作用,将有利于深化我们对棕色脂肪细胞命运决定的认识。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.201903366
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