棕色脂肪中的m6A mRNA甲基化通过独立于UCP1的跨器官前列腺素信号轴调节全身胰岛素敏感性

2024-11-10 Sun
脂肪组织m6A mRNA甲基化的角色：跨器官前列腺素信号轴对胰岛素敏感性调控的突破性发现研究背景及动机近年来，棕色脂肪组织（Brown Adipose Tissue，BAT）在人体代谢调控中的潜在作用引起了广泛关注。BAT以其非耦联蛋白1（UCP1）介导的产热特性广为人知，在寒冷刺激下消耗能量、减少体脂的特性使其成为肥胖和代谢综合征治疗的重要靶点。然而，除了产热功能，BAT还通过分泌因子对全身代谢产生影响，包括调节葡萄糖、脂肪酸及支链氨基酸的利用。尽管BAT的激活通常伴随UCP1的高表达，但越来越多的证据表明，UCP1独立的机制同样可以在脂肪组织中发挥代谢调控功能。
本研究的作者们提出，N6-甲基腺嘌呤（m6A）这一广泛存在于mRNA的表观遗传修饰，在BAT的分泌功能及全身胰岛素敏感性调节中可能扮演关键角色。具体来说，该研究聚焦于一种m6A写入酶，即甲基转移酶样蛋白14（METTL14），探究其在BAT内对胰岛素敏感性的影响，进而揭示m6A如何通过调控BAT分泌物对全身代谢产生影响。
研究来源该研究由Ling Xiao及其团队完成，研究团队成员来自Joslin糖尿病中心、哈佛医学院、芝加哥大学、东芬兰大学及德国莱比锡大学等机构，研究成果发表在2024年10月的《Cell Metabolism》期刊上。团队通过多机构合作及跨领域的实验设计，为研究带来深入的分子生物学及代谢学见解。
研究流程研究团队通过生成特异性删除METTL14基因的棕色脂肪组织敲除小鼠（M14KO），分析其在不同饮食（高脂饮食和低脂饮食）条件下的胰岛素敏感性、葡萄糖耐受性及代谢反应。实验包括：
基因表达分析：首先，作者在人体和小鼠样本中检测了肥胖状态下METTL14的表达，发现肥胖人群和高脂饮食小鼠的BAT中METTL14显著上调。
小鼠模型的生成与检测：通过将METTL14-floxed小鼠与UCP1-Cre小鼠杂交，获得了BAT中特异性敲除METTL14的小鼠模型（M14KO）。研究验证了METTL14在M14KO小鼠BAT内的缺失，同时证实这一敲除不会影响其他代谢组织。
胰岛素耐受性测试：在控制饮食和高脂饮食条件下，研究发现，M14KO小鼠的胰岛素敏感性和葡萄糖耐受性明显改善，且这一现象在不同性别的小鼠中均保持一致，且独立于体重的变化。
冷暴露实验：为了探讨是否UCP1在这一过程中的作用，研究进一步在低温（5℃）和温中性（30℃）条件下测试了M14KO小鼠。结果显示，无论UCP1活性如何变化，M14KO小鼠的胰岛素敏感性均保持改善，表明METTL14缺失对胰岛素敏感性的提升不依赖于UCP1。
脂质组学分析：采用液相色谱-质谱法，研究识别出M14KO-BAT和人类棕色脂肪细胞（HBAT）中前列腺素E2（PGE2）和前列腺素F2α（PGF2α）显著上调，验证了这些前列腺素在BAT中的释放，并进一步探讨其在调节胰岛素敏感性中的作用。
细胞实验及共培养实验：通过体外实验，研究在肝细胞、骨骼肌细胞和白色脂肪细胞中检测PGE2和PGF2α的作用，发现其在细胞层面可以显著增强胰岛素信号通路中的Akt磷酸化。
中和实验：为验证PGE2的作用，研究使用中和抗体阻断M14KO小鼠中的PGE2，结果显示胰岛素敏感性得到部分抑制，进一步确认了PGE2对M14KO小鼠胰岛素敏感性的贡献。
研究结果胰岛素敏感性改善：M14KO小鼠显示显著的胰岛素敏感性提升，并且在冷暴露或温中性条件下，这一改善不受影响，证明了METTL14缺失通过非UCP1依赖的机制对代谢产生影响。
BAT分泌物的变化：通过脂质组学和质谱分析，研究识别出M14KO-BAT中PGE2和PGF2α的含量上调。进一步的实验表明，这两种前列腺素可以在肝脏、骨骼肌和白色脂肪中增强胰岛素信号，促进葡萄糖摄取。
前列腺素作用机制：体内和体外实验结果均显示，PGE2和PGF2α通过Akt信号通路的激活促进了胰岛素敏感性，阻断其受体则显著削弱了其效果。研究表明，PGE2通过抑制蛋白去磷酸酶（如PHLPP和SHIP1/2）的活性，增强了Akt信号。
m6A修饰在基因表达调控中的作用：RNA测序和m6A-免疫沉淀分析表明，METTL14缺失使编码PGE2和PGF2α合成酶（如PTGES2和CBR1）的mRNA呈现低甲基化状态，从而延缓其降解、增加蛋白水平。METTL14通过YTHDF2/3蛋白调控这些mRNA的稳定性，最终促进前列腺素的分泌。
人群相关性分析：在多个人群队列中，研究发现PGE2和PGF2α水平与BMI和胰岛素敏感性呈负相关，进一步支持了这些前列腺素在人体代谢调控中的作用。
研究结论及意义本研究首次揭示了METTL14通过m6A修饰调控BAT分泌功能的机制，发现其能够通过调控前列腺素合成显著改善全身胰岛素敏感性。这一过程独立于UCP1介导的产热机制，为代谢调控提供了全新的思路和潜在靶点。具体而言，研究证实了BAT分泌的PGE2和PGF2α作为胰岛素敏感性调节剂的作用，这一发现拓展了我们对BAT在非产热条件下如何影响代谢的理解。
研究还指出，PGE2和PGF2α不仅在小鼠模型中有效，在人类队列中也显示出类似的代谢调节特性。这为未来以BAT分泌因子为靶点的代谢性疾病干预提供了理论依据。总的来说，本研究提供了一个新的生物学机制，即通过BAT分泌物中的前列腺素信号来增强全身胰岛素敏感性，为肥胖及其相关代谢疾病的治疗提供了潜在的新方向。