Science 解讀-Zfp423 基因敲除可增加脂肪細(xì)胞產(chǎn)熱

隨著生活條件的改善，肥胖逐漸成為一種全球流行病。肥胖與脂肪的堆積過(guò)多有關(guān)，這不僅對(duì)身心健康具有重大的影響，還會(huì)增加多種合并癥的風(fēng)險(xiǎn)，包括代謝綜合征、糖尿病、高血壓、冠狀動(dòng)脈疾病和癌癥等^[1]。
眾所周知，肥胖發(fā)展的根本原因是營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩的情況下能量攝入和消耗的不平衡。減肥不外乎“管住嘴，邁開(kāi)腿”，講究一個(gè)熱量赤字。然而，鍛煉太累，難以堅(jiān)持，節(jié)食又傷胃。有沒(méi)有不用運(yùn)動(dòng)，又不影響健康的兩全其美之法呢？
最近，美國(guó)西北大學(xué)范伯格醫(yī)學(xué)院的 Joseph Bass 團(tuán)隊(duì)在 Science  雜志上發(fā)表了最新研究 Time-restricted feeding mitigates obesity through adipocyte thermogenesis 。該研究揭示了一種限時(shí)進(jìn)食法 (time-restricted feeding, TRF)，即只在生物鐘的活動(dòng)期進(jìn)食 (如小鼠的活動(dòng)期為夜間，人類的為白天)，脂肪組織就會(huì)通過(guò)增加產(chǎn)熱控制體重的增加^[2]。研究表明，在小鼠上進(jìn)行限時(shí)進(jìn)食法幾乎沒(méi)有副作用，合理減重的同時(shí)，還可改善機(jī)體代謝健康，延長(zhǎng)壽命^[3,4]。

 
那么，作者團(tuán)隊(duì)是如何研究的呢？原理是什么？
   

■ 進(jìn)食節(jié)律紊亂會(huì)導(dǎo)致的肥胖，與熱量消耗減少有關(guān)

研究者們發(fā)現(xiàn)，僅在白天 (非活動(dòng)期) 喂食的小鼠體重往往增加得更快。為了探究這種進(jìn)食節(jié)律與體重增加的關(guān)系，研究者們將幼年小鼠分為三組 (圖 1a)：全天任意時(shí)間、僅白天 (非活動(dòng)期) 和僅夜間 (活動(dòng)期) 的等量高脂喂食 (HFD)，并將小鼠置于熱中性環(huán)境中 (30℃，這個(gè)溫度被定義為小鼠用于維持體溫所消耗的能量最小的溫度)，以便于探究進(jìn)食誘導(dǎo)的能量消耗對(duì)體重增加的影響。

喂食一周后，研究者們發(fā)現(xiàn)，與只在夜間 (活動(dòng)期) 喂食 HFD 的小鼠相比，只在白天 (非活動(dòng)期) 喂食的小鼠體重顯著增加 (圖 1a)，并且出現(xiàn)呼吸交換比節(jié)律 (RER) 的改變 (圖 1b) (RER: 代謝產(chǎn)生的 CO₂ 與 O₂ 攝入量的比率)。以體重作為協(xié)變量的能量消耗分析顯示，只在夜間 (活動(dòng)期) 進(jìn)食的小鼠的總能量消耗與體重比的斜率高于只在白天 (非活動(dòng)期) 進(jìn)食的小鼠 (圖 1c)，即在同一體重下夜間進(jìn)食組小鼠的總能量消耗更大。

這表明，在夜間 (活動(dòng)期) 喂食的小鼠體重正常，而在白天 (非活動(dòng)期) 喂食會(huì)導(dǎo)致小鼠的肥胖，部分原因是進(jìn)食誘導(dǎo)的能量消耗減少。

 

圖 1. 進(jìn)食節(jié)律紊亂通過(guò)減少能量消耗導(dǎo)致肥胖^[2]

a. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，喂食分組：任意時(shí)間，限制在白天期（ZT_0-12）或限制在夜間期（ZT_12-24)。b. 在 HFD 喂食的第 0 天和第 7 天，三個(gè)分組的小鼠體重 (n = 5)。c. 呼吸交換比節(jié)律（RER）的變化。d. 在 HFD 第 7 天，24 小時(shí)內(nèi)總能量消耗 (EE) 與體重的比值；每個(gè)點(diǎn)代表一只小鼠。

 

 

■ Zfp423 基因敲除可增加脂肪細(xì)胞產(chǎn)熱，進(jìn)而抵抗肥胖 

為了確定提高脂肪細(xì)胞的產(chǎn)熱是否可以緩解體重增加，并抵抗錯(cuò)誤節(jié)律進(jìn)食導(dǎo)致的肥胖，研究者們使用了脂肪細(xì)胞鋅指蛋白 423 (Zinc finger protein 423，Zfp423) 基因敲除小鼠 (Zfp423-KO) (圖 2a)，該基因的敲除能導(dǎo)致產(chǎn)熱增強(qiáng)。他們將 Zfp423-KO 小鼠置于產(chǎn)熱激活最強(qiáng)的溫度 (22-25℃) 下進(jìn)行限時(shí)喂食 (TRF)。
與對(duì)照組相比，脂肪細(xì)胞特異性 Zfp423-KO 的小鼠，即使在白天 (非活動(dòng)期) 喂食 HFD，體重的增加也能被緩解 (圖 2b)，糖耐量也會(huì)提高 (圖 2c)。這表明，增強(qiáng)脂肪細(xì)胞產(chǎn)熱可以減少非活動(dòng)期進(jìn)食導(dǎo)致的體重增加。
 

 

為進(jìn)一步探究 Zfp423-KO 小鼠增加細(xì)胞產(chǎn)熱的機(jī)理，研究者們通過(guò)無(wú)偏代謝學(xué)分析評(píng)估脂肪細(xì)胞 Zfp423 特異性缺失后的穩(wěn)態(tài)代謝物有什么不同 (圖 3a)。結(jié)果表明，與對(duì)照相比，Zfp423-KO 脂肪細(xì)胞中具有 29 種差異豐富的代謝產(chǎn)物，其中肌酸、丙酮酸和乳酸增加，磷酸肌酸和 ATP 的減少 (圖 3b)，這些代謝物的變化可能與脂肪代謝有著密切的關(guān)聯(lián)。

此外，Zfp423-KO 脂肪細(xì)胞中的磷酸肌酸/肌酸 (PCr/Cr) 比值較低 (圖 3c)。肌酸激酶 B (CKB) 是產(chǎn)熱脂肪無(wú)效肌酸循環(huán)中主要的激酶同工酶，脂肪細(xì)胞 Zfp423-KO小鼠肌酸激酶 B (CKB) 的豐度同樣出現(xiàn)了增加 (圖 3d)。這些證據(jù)表明，Zfp423 的缺失是通過(guò)增加呼吸、增加糖酵解的葡萄糖通量和增加肌酸循環(huán)來(lái)促進(jìn)脂肪細(xì)胞產(chǎn)熱的。
 

圖 3. Zfp423-KO 的脂肪細(xì)胞穩(wěn)態(tài)代謝物特征^[2]

a. 差異豐度代謝物熱圖。b. 分化脂肪細(xì)胞中 ATP、ADP、肌酸 (Creatine) 和磷酸肌酸 (Phosphocreatine) 的相對(duì)豐度 (n = 6)。c. Zfp423-KO 小鼠的分化脂肪細(xì)胞 PCr/Cr 比值 (n = 4)。d. Western blot 檢測(cè)對(duì)照組和脂肪細(xì)胞 Zfp423-KO 小鼠的 iWAT 中 CKB 和甘油醛磷酸脫氫酶 (GAPDH) 的變化。

■ TRF 小鼠的 iWAT 和 BAT 脂肪細(xì)胞基因表達(dá)情況 

脂肪細(xì)胞的生物鐘是維持體溫產(chǎn)熱節(jié)律所必須的。為了評(píng)估 TRF 是否受脂肪組織中的生物鐘影響，研究者們分析了熱中性條件下 (30℃) 野生型雄性小鼠 TRF 一周后，用于存儲(chǔ)能量的白色脂肪細(xì)胞 (iWAT) 和用于產(chǎn)生能量的棕色脂肪細(xì)胞 (BAT) 中的基因表達(dá)情況。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是 iWAT 還是 BAT，只在夜間 (活動(dòng)期) 喂食 HFD 的小鼠，核心時(shí)鐘基因 Bmal1 表達(dá)幅度最高 (圖 4a-b)，脂肪細(xì)胞產(chǎn)熱最為旺盛。相反，只在白天 (非活動(dòng)期) 喂食的小鼠表達(dá)幅度降低。這些證據(jù)表明，脂肪細(xì)胞的時(shí)鐘基因可能對(duì)于TRF 引起的產(chǎn)熱差異具有重要作用。
 

 

圖 4. 任意時(shí)間進(jìn)食和 TRF 對(duì)脂肪組織基因表達(dá)的影響^[2]

野生型雄性小鼠在熱中性條件下任意進(jìn)食和限制進(jìn)食 HFD 一周后，BAT (a) 和 iWAT (b) 中指示基因的表達(dá)。  

■ 脂肪細(xì)胞時(shí)鐘基因 Bmal1 通過(guò)肌酸代謝調(diào)節(jié)健康 

那么 BAT 和 iWAT 中時(shí)鐘基因是否影響肌酸代謝的激活。研究者們使用了脂肪細(xì)胞 Bmal1-KO 小鼠。TRF 一周后，脂肪細(xì)胞 Bmal1-KO 的小鼠不管在白天期還是黑暗期，體重增加量都與僅在在白天期喂食的對(duì)照組小鼠相等，并有相似的葡萄糖耐量。表明脂肪細(xì)胞時(shí)鐘基因在夜間期 TRF 過(guò)程中改善肥胖。
研究者們對(duì) Bmal1-KO 小鼠脂肪細(xì)胞進(jìn)行基因和代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞肌酸豐度降低，這表明時(shí)鐘基因通過(guò)肌酸循環(huán)調(diào)節(jié)健康。并且在給 Bmal1-KO 小鼠的喂食中額外添加了肌酸，肌酸的補(bǔ)充能極大地恢復(fù)脂肪細(xì)胞 Bmal1-KO 小鼠的體重控制 (圖 5) 和葡萄糖穩(wěn)態(tài)。
 

Bmal1-KO 雄性小鼠在熱中性狀態(tài)下全天任意進(jìn)食添加 2% 肌酸的 HFD 6 周 (左)，每周攝食量 (中) 和 HFD 喂食第 5-6 周的白天期攝食量百分比 (右)。

 

上述證據(jù)表明，脂肪細(xì)胞時(shí)鐘基因功能的降低可能通過(guò)破壞肌酸節(jié)律代謝來(lái)驅(qū)動(dòng) HFD 小鼠的代謝缺陷。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究者們培養(yǎng)了脂肪細(xì)胞特異性誘導(dǎo)Bmal1 (Bmal1-Tg) 的轉(zhuǎn)基因小鼠。當(dāng)給脂肪細(xì)胞 Bmal1-Tg 小鼠喂食 HFD 時(shí)，它們比對(duì)照組小鼠增重更少 (圖 6b)，并且在明暗期耗氧量都顯著增加，葡萄糖耐量得到改善，肌酸循環(huán)也有所增加。因此，放大脂肪細(xì)胞的核心時(shí)鐘節(jié)律足以增加能量消耗，減少體重增加。
 

 

 

該研究評(píng)估了 TRF 對(duì)體重的影響，發(fā)現(xiàn)節(jié)律紊亂，即只在生物體的非活動(dòng)期進(jìn)食的情況下，體重會(huì)增加更多，這種體重增加與脂肪細(xì)胞產(chǎn)熱減少有關(guān)。進(jìn)一步探究這種現(xiàn)象的背后機(jī)制，發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘基因的調(diào)控以及肌酸循環(huán)的作用至關(guān)重要。在非活動(dòng)期進(jìn)食，時(shí)鐘基因會(huì)通過(guò)破壞肌酸循環(huán)，導(dǎo)致脂肪細(xì)胞產(chǎn)熱功能受損，最終導(dǎo)致肥胖，值得注意的是，額外補(bǔ)充肌酸有助于改善這種現(xiàn)象。

人類的內(nèi)在節(jié)律是活動(dòng)期在白天，那么將進(jìn)食限制在白天，減少或不在夜間的進(jìn)食，脂肪細(xì)胞就會(huì)通過(guò)產(chǎn)熱活動(dòng)，幫你減肥。如果不可避免夜間進(jìn)食，適當(dāng)補(bǔ)充肌酸，也可有效控制體重。

相關(guān)產(chǎn)品

Nomilin 是從柑桔類提取物中獲得的檸檬苦素類化合物，可作為抗肥胖癥和降糖劑。

Evodiamine 是從吳茱萸的果實(shí)中分離的生物堿, 具有多種生物活性，比如抗炎，抗肥胖和抗腫瘤。

Semaglutide 是人胰高血糖素樣肽-1 (GLP-1) 受體的激動(dòng)劑。Semaglutide 有潛力用于 2 型糖尿病的研究�？捎糜诳狗逝盅芯�。

Liraglutide 是一種胰高血糖素樣肽-1 (GLP-1) 受體激動(dòng)劑，用于研究 2 型糖尿病和抗肥胖研究。

抗肥胖化合物庫(kù) 包含 1898 種化合物，主要靶向食欲控制、脂肪代謝及能量消耗等相關(guān)信號(hào)通路，是開(kāi)發(fā)抗肥胖藥物的有用工具。

代謝化合物庫(kù)系列 包含 HY-L091 (脂代謝化合物庫(kù))、HY-L092 (糖代謝化合物庫(kù))、HY-L123 (人代謝物庫(kù)) 等多個(gè)代謝相關(guān)化合物庫(kù)，是研究代謝相關(guān)的有用工具。

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參考文獻(xiàn)

[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.