Cell Metab | 冷环境下产热受损及性别依赖的全身炎症反应都与UCP1相关

在啮齿动物和人类中，驱动棕色脂肪组织（brown adipose tissue, BAT）产热最典型的干预措施是冷暴露和β-肾上腺素受体激动。这些刺激能导致BAT从血液中清除葡萄糖和脂肪酸，增加能量消耗并防止胰岛素抵抗。上述干预措施部分通过激活一种在BAT和米色脂肪中独特表达的蛋白质，即产热效应子解偶联蛋白1（uncoupling protein 1, UCP1）来启动脂肪组织产热，在基础条件下UCP1保持无活性状态，但当被激活时，它会引发质子穿过线粒体内膜泄漏，从而显着提高来自葡萄糖和脂肪的还原底物的分解代谢【1, 2】。已有研究证明UCP1缺失小鼠对BAT肾上腺素受体激动剂缺乏产热反应，但考虑到UCP1缺失会导致BAT中线粒体电子传递链（ETC）的大部分成分耗尽，因而对UCP1缺失小鼠的表型解释是混乱的，可归因于ETC消耗或UCP1蛋白本身的损失。因此，建立一种能够在不消耗ETC的情况下专门破坏UCP1激活的遗传模型，以评估其在产热、生理和代谢疾病中的重要性是十分必要的。

2021年12月2日，来自美国丹娜-法伯癌症研究所的Edward T. Chouchani团队在Cell Metabolism杂志上发表了一篇题为Cysteine 253 of UCP1 regulates energy expenditure and sex-dependent adipose tissue inflammation 的文章，该团队通过生成一个能在体内选择性破坏UCP1的小鼠模型，发现UCP1 C253A可导致小鼠表现出显著受损的产热反应，而仅引起雄鼠的脂肪组织和肝脏出现大量免疫细胞浸润和全身炎症反应，雌激素的全身水平提高则可逆转这种病理改变。UCP1的这种性别二态性支持了女性存在针对代谢性疾病（如T2D）的保护机制的观点，同时也将UCP1 C253位点确定为急性产热和性别依赖性组织炎症的调节剂。

该团队在此前已经报道产热ROS能可逆修饰UCP1 C253位点，且结构模型指出该位点能稳定UCP1的非活性构象【3】。基于这些发现，该团队生成了UCP1 C253A小鼠模型，定量蛋白组学表明，与先前报道的UCP1 KO小鼠BAT不同，UCP1 C253A BAT在标准饲养条件下能维持WT水平的线粒体代谢蛋白的全部库的表达。随后，将小鼠置于一系列急性产热刺激下，UCP1 C253A小鼠相对于WT小鼠而言表现出显著降低的耗氧率、CO₂释放率和能量消耗，红外热像仪也显示小鼠整个背面温度明显降低。这些结果均提示在冷暴露时，UCP1 C253A小鼠的产热反应显著减弱。

图1. UCP1 C253A小鼠在冷暴露时产热受损

有意思的是，在给予高脂肪、高蔗糖（HFHS）饮食后，虽然WT和C253A小鼠在体重和脂肪总量上难以区分，但只有雄性C253A小鼠表现出明显的葡萄糖不耐受。通过¹³C_6-葡萄糖追踪发现，葡萄糖在BAT中糖酵解下段的分解代谢显著受损。基于这种性别差异，作者对HFHS喂养后的小鼠白色脂肪组织进行蛋白组学分析。在雄性C253A小鼠中，调节免疫细胞吞噬作用、抗原加工和呈递以及中性粒细胞介导的免疫相关蛋白丰度明显增加，而这些通路在雌性C253A小鼠中完全没有变化，相反，引起炎症的几种通路包括补体系统蛋白、肥大细胞分泌颗粒蛋白等在雌性C253A小鼠中显著下调。这些发现表明UCP1 C253对白色脂肪组织炎症存在性别二态性调节。此外， UCP1 C253A还可以在不表达UCP1的组织，如肝脏和附睾白色脂肪组织中发挥促炎作用。

那么在棕色和米色脂肪中选择性表达UCP1 C253A如何影响局部和全身炎症呢？考虑到UCP1和ROS之间的相互依赖性，可以推断氧化的线粒体来源的大分子作为介质，释放到循环中引起全身炎症。蛋白质半胱氨酸残基对局部ROS水平的改变高度敏感，为此，作者使用半胱氨酸反应性磷酸盐标签（CPT）方法【4】来绘制BAT中蛋白的半胱氨酸氧化态。HFHS C253A BAT中数百个蛋白的半胱氨酸氧化状态发生改变，其中包括线粒体蛋白和炎症相关蛋白的氧化水平增加，且循环中mtDNA也显著增加。如果在HFHS饮食中补充线粒体靶向抗氧化剂 MitoQ则可显著逆转上述炎症迹象。

一个问题在于，为什么在UCP1 C253A介导的全身炎症反应仅发生在雄鼠而非雌鼠中呢？为此，作者猜测雌激素信号传导可能在保护雌鼠免受炎症影响中发挥作用。在HFHS饮食干预之前，作者在雄鼠皮下植入缓释β-雌二醇胶囊。炎症细胞因子的表达在未处理雄鼠中依旧显著增加，而在处理组中正常化为WT水平，上述与调节免疫细胞吞噬作用、抗原加工和呈递以及中性粒细胞介导的免疫相关蛋白也明显减少，提示雌激素信号传导在对抗CP1 C253A小鼠脂肪组织中的炎症反应起着核心作用。

众所周知，绝经前女性的T2D发病率低于男性或绝经后女性，在一定程度上被认为是女性通过雌激素受体信号介导的炎症减少的结果【5】。这项研究进一步发现在雄性小鼠体内雌激素信号的药理学升高在很大程度上逆转了由UCP1 C253 缺失引起的炎症，支持了前述观点。总之，这项研究建立了一个可以选择性破坏UCP1激活的小鼠模型，表明UCP1 C253是急性产热激活和全身炎症稳态的关键调节剂，在保护雄性小鼠免受炎症代谢发病机制方面具有特定作用。

原文链接：

https:///10.1016/j.cmet.2021.11.003

制版人：十一

参考文献

1. Baskin, A.S., Linderman, J.D., Brychta, R.J., McGehee, S., Anflick-Chames, E., Cero, C., Johnson, J.W., O’Mara, A.E., Fletcher, L.A., Leitner, B.P., et al. (2018). Regulation of human adipose tissue activation, gallbladder size, and bile acid metabolism by a beta3-adrenergic receptor agonist. Diabetes 67, 2113–2125.

2. Chouchani, E.T., Kazak, L., and Spiegelman, B.M. (2019). New advances in adaptive thermogenesis: UCP1 and beyond. Cell Metab 29, 27–37.

3. Chouchani, E.T., Kazak, L., Jedrychowski, M.P., Lu, G.Z., Erickson, B.K., Szpyt, J., Pierce, K.A., Laznik-Bogoslavski, D., Vetrivelan, R., Clish, C.B., et al. (2016). Mitochondrial ROS regulate thermogenic energy expenditure and sulfenylation of UCP1. Nature 532, 112–116.

4. Xiao, H., Jedrychowski, M.P., Schweppe, D.K., Huttlin, E.L., Yu, Q., Heppner, D.E., Li, J., Long, J., Mills, E.L., Szpyt, J., et al. (2020). A quantitative tissuespecific landscape of protein redox regulation during. Aging Cell 180, 968–983, e924.

5. Davis, K.E., D Neinast, M., Sun, K., M Skiles, W., D Bills, J., A Zehr, J., Zeve, D., D Hahner, L., W Cox, D., Gent, L.M., et al. (2013). The sexually dimorphic role of adipose and adipocyte estrogen receptors in modulating adipose tissue expansion, inflammation, and fibrosis. Mol. Metab. 2, 227–242.