上周三，栾冰教授为我们带来了「脂肪组织微环境与肥胖发生机制」直播课程，现在让小赛带大家一起深度解读栾冰教授近日关于肥胖治疗的新文章。
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。
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
01
在清除产热脂肪细胞或拮抗β3AR后，交感神经支配减少
02
通过质谱等分析发现β3AR诱导产热脂肪细胞分泌锌离子
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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
04
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
05
补充锌离子可改善小鼠肥胖
研究结果
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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。
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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。
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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。
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。
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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。
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