Nature Medicine 再次刷新认知!钙竟然和肥胖、血糖、产热都
来源:    发布时间: 2018-03-14 09:56   128 次浏览   大小:  16px  14px  12px
自打吃了盖

自打吃了盖中盖,腰不酸了腿不疼了,走路也有劲了,一口气上五楼,不费劲儿。
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上面伴随我们童年的广告语,想必大家现在还可以朗朗上口。我们为什么有这么多产品和药物关注补钙呢?因为钙是我们机体生命活动不可缺少的离子,它不仅是骨骼的重要组成成分,缺失会导致佝偻病、骨质疏松等疾病,而且参与了机体基本生理活动,对于正常神经传导、肌肉伸缩与舒张、凝血过程以及一些激素的分泌至关重要。

在寒冷环境中机体主要依靠两种方式增加产热以维持体温:战栗性产热和非战栗性产热。战栗性产热指骨骼肌发生的不随意节律性收缩。其特点时屈肌和伸肌同时收缩,不做外功,产热量高。非战栗性产热也称代谢性产热,指通过物质代谢产生的热量。褐色脂肪组织产热量最大,约占非战栗性产热总量的 70%。

机体的脂肪组织分为棕色脂肪和白色脂肪两类,其中白色脂肪俗称「肥肉」,细胞内有大量脂质堆积 [1];棕色脂肪细胞内含有大量的线粒体,表达高的解偶联蛋白-1(UCP1)参与棕色脂肪的产热 [2]。之前研究发现在寒冷刺激下白色脂肪中 UCP1 表达会上调、线粒体增多,白色脂肪细胞转分化为类似棕色脂肪细胞的米色脂肪细胞 [3, 4]。米色脂肪组织可以促进机体的能量消耗产热从而抵抗肥胖等疾病发生,是潜在治疗肥胖等疾病的方向 [5, 6]。


然而值得注意的是,最近研究发现机体中存在不依赖 UCP1 产热的机制存在 [7, 8],但是在米色脂肪中非 UCP1 依赖的产热的具体机制和生理意义目前是不清楚的。来自加州大学伯克利分校糖尿病中心的 Shingo Kajimura 教授(Bruce M. Spiegelman 教授的高徒)发现在米色脂肪产热过程中钙循环有着非常重要的作用,该研究于今年 11 月 13 号发表在 Nature Medicine 杂志上 [9]。


实验思路和结果
 

1、UCP1 不是机体米色脂肪产热所必需的

作者之前的研究发现 Ap2-cre 特异性过表达 Prdm16 可以特异性的促进小鼠皮下脂肪的棕色化 [6],因此为了研究 UCP1 是否是体内米色脂肪产热所必需的,作者利用 Ap2-cre 的 Prdm16 过表达小鼠和 UCP1 敲除小鼠交配得到 Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠。作者发现在寒冷条件下,相比 Ucp1−/−小鼠 Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠耗氧量、产热能力强,可以很好维持自己的体温(图 1a-1f)。进一步为了确定具体哪个组织参与了 Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠体温的维持,作者分别测量了棕色脂肪、皮下脂肪和肌肉处的温度,发现 Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠体温的维持主要是由腹股沟皮下脂肪的贡献(图 1 g-1j),因为寒冷情况下腹股沟皮下脂肪会发生棕色化变成米色脂肪,所以上述结果发现腹股沟皮下脂肪转分化成米色脂肪参与了 Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠体温的维持,即 UCP1 不是机体米色脂肪产热所必需的。

图 1.UCP1 不是米色脂肪产热所必需的

2、SERCA2b 控制米色脂肪非 UCP1 依赖的产热

为了找到米色脂肪非 UCP1 依赖的产热机制,作者对 Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠进行了 RNA-seq,发现参与钙循环的基因-SERCA2b 在 Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠皮下脂肪相比 Ucp1−/−小鼠明显高表达(图 2a-2c)[10]。之前研究发现去甲肾上腺素激活 3-AR 和 CAMP 信号,因此作者利用 CAMP 激活剂 forskolin 检测 SERCA2b 是否受 CAMP 信号调控,CAMP 发现可以特异性的调控 SERCA2b(图 2d-2e)。进一步体外利用 SERCA2b 的抑制剂 thapsigargin、敲除和过表达 SERCA2b,发现 SERCA2b 是米色脂肪产热所必需的(图 2f-2j),最后 SERCA2b 敲除小鼠也证明了这一点。

图 2. SERCA2b 控制米色脂肪非 UCP1 依赖的产热

3、钙循环促进了米色脂肪非 UCP1 依赖的产热

因为之前的研究确实 SERCA 参与调控细胞内钙循环,那么钙循环是否会调控米色脂肪非 UCP1 依赖的产热呢?作者发现当用去甲肾上腺素处理后,野生型小鼠和 Ucp1−/−小鼠的米色脂肪细胞内钙会大量增多(图 3a)。进一步作者发现细胞外钙清除不会对去甲肾上腺素刺激的米色脂肪能量消耗产生影响(图 3b),而当细胞内的钙被清除之后会明显抑制去甲肾上腺素刺激的米色脂肪能量消耗产生(图 3c),这些结果提示细胞内来源的钙对米色脂肪非 UCP1 依赖的产热至关重要,那么具体是如何的呢?我们知道细胞的钙主要是来源于肌浆网,之前研究发现 Calstabin2 调控肌浆网的钙流 [11],因此作者过表达 Calstabin2 发现可以促进钙的释放和去甲肾上腺素促进的米色脂肪细胞能量消耗(图 3 h,3i)。体内利用促进钙释放的药物 S107 处理 UCP1 敲除小鼠 [12],发现相比对照可以很好的维持体温(图 3j)。这些结果提示增强的钙循环可以促进米色脂肪非 UCP1 依赖的产热。

 
图 3. 增强的钙循环可以促进米色脂肪非 UCP1 依赖的产热

4、米色脂肪抵抗肥胖和糖尿病是非 UCP1 依赖的

之前大家的观点认为米色脂肪抵抗肥胖和糖尿病的发生机制是依赖 UCP1 的,然而有意思的是这篇文章的结果提示米色脂肪的产热是非 UCP1 依赖的,那么作者自发想到是否米色脂肪抵抗肥胖和糖尿病的发生机制是非依赖 UCP1 的呢?作者发现在室温情况下,Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠相比 Ucp1−/−小鼠抵抗高脂诱导的肥胖和胰岛素抵抗(图 4a-4e)。在热中性环境下,虽然高脂喂养下 Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠相比 Ucp1−/−小鼠体重相当,但是其血糖明显耐受(图 4f,4 g)。

图 4. 米色脂肪非 UCP1 的产热参与调控机体体重和血糖代谢

5、UCP1 敲除小鼠米色脂肪组织糖的利用增加

为什么米色脂肪会改善全身性的血糖代谢呢?为了研究这一问题作者对 Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠皮下脂肪做了代谢组学,和之前 RNA-seq 数据结合分析发现 Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠皮下脂肪的糖酵解和三羧酸循环激活(图 5a)。Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠皮下脂肪的糖摄取能力、三羧酸循环里的丙酮酸脱氢酶活性和糖的利用明显增强(图 5b-5d),所以 Prdm16 Tg × Ucp1−/−小鼠的血糖代谢明显相比 Ucp1−/−小鼠是改善的。

 
图 5. Ucp1−/−小鼠米色脂肪糖酵解和三羧酸循环增强促进了其糖的利用

6、SERCA2–RyR2 通路调控米色脂肪葡萄糖氧化

前面的结果发现 SERCA2–RyR2 通路调节钙循环调控米色脂肪的产热,那么 SERCA2–RyR2 是否调控了米色脂肪的葡萄糖代谢呢?作者发现当这条通路被抑制之后米色脂肪的糖摄取和氧化能力减弱(图 6b-6d);而激活之后会促进米色脂肪的糖氧化(图 6e)。因为目前的实验都是在小鼠体系上做的,那么作者的这一发现是否在其他哺乳动物也是这样的呢?作者进一步在猪上验证发现结果是一致的(图 6 h-6n)。


结论和讨论

这篇文章发现 SERCA2–RyR2 通路通过影响钙循环调控米色脂肪的产热,抵抗肥胖和糖尿病的发生,挑战了之前的观点,解释了之前很多大家困惑的问题,对我们理解机体米色脂肪的功能和产热机制提供了新的方向。

参考文献


[1].Rosen ED, Spiegelman BM. What we talk about when we talk about fat. Cell 2014 Jan 16;156(1-2):20-44.
[2].Golozoubova V, Hohtola E, Matthias A, Jacobsson A, Cannon B, Nedergaard J. Only UCP1 can mediate adaptive nonshivering thermogenesis in the cold. FASEB journal : official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology 2001 Sep;15(11):2048-50.
[3].Kajimura S, Spiegelman BM, Seale P. Brown and Beige Fat: Physiological Roles beyond Heat Generation. Cell metabolism 2015 Oct 6;22(4):546-59.
[4].Wu J, Bostrom P, Sparks LM, Ye L, Choi JH, Giang AH et al. Beige adipocytes are a distinct type of thermogenic fat cell in mouse and human. Cell 2012 Jul 20;150(2):366-76.
[5].Cohen P, Levy JD, Zhang Y, Frontini A, Kolodin DP, Svensson KJ et al. Ablation of PRDM16 and beige adipose causes metabolic dysfunction and a subcutaneous to visceral fat switch. Cell 2014 Jan 16;156(1-2):304-16.
[6].Seale P, Conroe HM, Estall J, Kajimura S, Frontini A, Ishibashi J et al. Prdm16 determines the thermogenic program of subcutaneous white adipose tissue in mice. The Journal of clinical investigation 2011 Jan;121(1):96-105.
[7].Ukropec J, Anunciado RP, Ravussin Y, Hulver MW, Kozak LP. UCP1-independent thermogenesis in white adipose tissue of cold-acclimated Ucp1-/- mice. The Journal of biological chemistry 2006 Oct 20;281(42):31894-908.
[8].Kazak L, Chouchani ET, Jedrychowski MP, Erickson BK, Shinoda K, Cohen P et al. A creatine-driven substrate cycle enhances energy expenditure and thermogenesis in beige fat. Cell 2015 Oct 22;163(3):643-55.
[9].Ikeda K, Kang Q, Yoneshiro T, Camporez JP, Maki H, Homma M et al. UCP1-independent signaling involving SERCA2b-mediated calcium cycling regulates beige fat thermogenesis and systemic glucose homeostasis. Nature medicine 2017 Nov 13.
[10].Rowland LA, Bal NC, Kozak LP, Periasamy M. Uncoupling Protein 1 and Sarcolipin Are Required to Maintain Optimal Thermogenesis, and Loss of Both Systems Compromises Survival of Mice under Cold Stress. The Journal of biological chemistry 2015 May 8;290(19):12282-9.
[11].Prestle J, Janssen PM, Janssen AP, Zeitz O, Lehnart SE, Bruce L et al. Overexpression of FK506-binding protein FKBP12.6 in cardiomyocytes reduces ryanodine receptor-mediated Ca(2+) leak from the sarcoplasmic reticulum and increases contractility. Circulation research 2001 Feb 2;88(2):188-94.
[12].Wehrens XH, Lehnart SE, Reiken SR, Deng SX, Vest JA, Cervantes D et al. Protection from cardiac arrhythmia through ryanodine receptor-stabilizing protein calstabin2. Science 2004 Apr 9;304(5668):292-6.