广泛靶向脂质组助力脂肪细胞线粒体功能障碍

和胰岛素抵抗机制研究

一、研究背景

白色脂肪组织（WAT）是调控多种生理状态的关键内分泌器官，其增加是肥胖的主要标志，推动胰岛素抵抗和代谢综合征。不同部位的WAT在胰岛素抵抗中作用各异。研究发现，除了已知的细胞质脂肪酸合成外，线粒体中也存在脂肪酸合成途径（mtFAS），尽管其酶系明确，但具体生理病理作用未明。mtFAS生成的辛酰-ACP是线粒体硫辛酸前体，硫辛酸或成治疗代谢综合征的新途径，但内源性硫辛酸合成在脂肪细胞中的调控作用尚待深究。

二、实验材料

高脂肪饮食(HFD)诱导的肥胖和糖尿病小鼠模型,5-week-old雄性C57BL / 6 j小鼠被随机分为正常饮食和HFD小鼠，喂养8周后进行口服糖耐量试验和口服胰岛素耐量试验，确定糖尿病情况。小鼠恢复一周后禁食过夜并处死开展机制研究；对于遗传性肥胖和糖尿病小鼠，8周龄雄性db/db小鼠和具有C57BL/6遗传背景的ob/ob小鼠分别饲喂正常饮食2周，然后禁食过夜并处死开展机制研究。

三、实验结果

1. 肥胖和糖尿病小鼠脂肪细胞中Htd2的表达降低

研究通过肥胖和糖尿病小鼠模型，分析代谢紊乱对mtFAS酶表达的影响。高脂喂养12周后，小鼠出现肥胖和糖尿病症状。检测显示，与正常小鼠比，肥胖小鼠的肝脏、肌肉、BAT及WAT中mtFAS酶基因表达普遍下调，尤其是WAT中Htd2显著减少。类似现象在遗传性糖尿病db/db小鼠中也观察到，提示Htd2在脂肪细胞代谢调控中可能具有关键作用。

2. 肥胖和糖尿病小鼠WAT中脂化蛋白减少

Htd2是mtFAS途径中的关键酶，催化3-羟基酰基-ACP转化为反式-2-烯丙基-ACP，后者作为MECR的底物进一步生成酰基-ACP，后者已知是内源性硫辛酸的前体。尽管mtFAS酶系已明确，但其脂肪酸产物尚不完全清晰，硫辛酸是目前唯一确认的副产物。为探究代谢紊乱对硫辛酸合成的影响，研究检测了PDH和α-OGDH水平作为指标。结果显示，在肥胖和糖尿病小鼠模型中，仅肌肉中LA-PDH-E2活性显著降低，而WAT中LA-PDH-E2和LA-OGDH-E2均显著下降，表明WAT中的mtFAS活性在代谢紊乱状态下受到更为显著的抑制，这可能影响硫辛酸的合成。

3. Htd2缺乏抑制了硫辛酸的产生，改变了3T3-L1细胞的脂质结构

为深入理解Htd2在细胞活性调控中的角色，研究首先确认了Htd2的线粒体定位。随后，在3T3-L1细胞中敲除Htd2，发现这不仅减少了硫辛酸的生成，还影响了mtFAS途径的关键酶及其副产物。脂质谱分析揭示了35种显著变化的脂质代谢物，其中游离脂肪酸减少尤为明显，尽管mtFAS对脂肪酸从头合成的直接影响可能有限。特定游离脂肪酸（如24:2）的变化是否与mtFAS直接相关，尚需验证。KEGG分析显示，这些差异代谢物主要涉及脂肪代谢与胰岛素抵抗路径，进一步强调了mtFAS在脂肪代谢调控中的潜在关键作用。

4.Htd2缺乏引起线粒体功能障碍

Htd2基因敲除后，脂质代谢显著变化，上调脂质多富集于甘油三酯，Nile染色证实脂滴增多。代谢物相关性分析揭示独立过程参与脂质积累。线粒体功能受损，氧化减少，耗氧量分析显示呼吸速率和ATP生成下降。特别地，Htd2下调特异性抑制线粒体复合物I活性，可能与mtDNA编码亚基表达减少有关，表明mtFAS缺乏引发线粒体功能障碍，促进脂质积累。

5. 补充硫辛酸可以恢复Htd2基因下调细胞的线粒体功能和抗氧化能力

硫辛酸是调节线粒体功能的关键元素之一，硫辛酸生物合成中断是mtFAS损伤的主要原因。因此，作者想知道补充硫辛酸是否可以恢复Htd2敲除细胞的线粒体功能。如图5A所示，在100 μ M时补充硫辛酸可以充分恢复Htd2敲除细胞的呼吸能力，同时增加细胞ATP水平(图5B)。同时，硫辛酸的补充也恢复了复合物I活性(图5C)。此外，Mitosox染色显示，在硫辛酸还原的Htd2敲除细胞中，线粒体产生的ROS显著增加(图5D)，表明缺乏Htd2损害了复合体I的活性，从而通过减少硫辛酸的产生来促进氧化应激和功能障碍。

因此，进一步敲除Htd2，同时补充硫辛酸剂，细胞中的谷胱甘肽水平降低，总SOD， Mn-SOD，和CuZn-SOD活动都恢复到正常水平(图6A- D)。与此同时，通过western blot发现，氧化蛋白在Htd2敲除后显著升高，硫辛酸补充后显著降低(图6E和F)。综上所述，复合体I功能障碍和氧化应激是Htd2缺乏相关硫辛酸减少的主要作用。

6. mtFAS通路的抑制损害3T3-L1细胞的胰岛素敏感性

线粒体功能障碍加剧胰岛素抵抗，Htd2抑制导致脂质代谢物变化与胰岛素抵抗相关。Htd2敲除减少p-Akt和GLUT4，抑制葡萄糖摄取，硫辛酸补充恢复。在成熟脂肪细胞中，Htd2下调持续抑制Akt磷酸化，减少GLUT4表达和葡萄糖摄取，硫辛酸改善这些效应。硫辛酸生成是mtFAS调控脂肪细胞胰岛素敏感性的关键。

四、研究结论

采用广泛靶向脂质组学技术发现mtFAS缺陷细胞的脂质改变主要表现为甘油三酯的积累，这与线粒体功能障碍有关。本研究突出了mtFAS通路在调节线粒体功能和脂肪细胞胰岛素敏感性方面的关键作用。

参考文献：

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