【学术笔记】棕色脂肪中线粒体重塑的调控
记录人：李新萌 邱义福实验室
2023年11月14日下午，受北大-清华生命科学联合中心邱义福研究员邀请，美国普渡大学（Purdue University）匡世焕教授在综合科研二号楼B117室带来一场题为“Regulation of mitochondrial remodeling in brown fat”的精彩报告。
邱义福研究员介绍匡世焕教授
匡世焕教授作报告与交流
【概要】
全球范围内超重或肥胖人群数量快速增加，给各国公共卫生支出带来了沉重的负担。肥胖的主要成因是脂肪细胞的扩张，白色脂肪细胞会不断吸收脂质形成大脂滴，如果脂滴过大造成细胞破裂，还会引起炎症反应。除了白色脂肪细胞，动物体内还存在功能不同的棕色脂肪细胞，它具有大量线粒体，可以分解脂质和维持机体产热。已经有多项研究证实了棕色脂肪组织（BAT）对机体代谢和心血管健康的益处。实际上，棕色脂肪细胞依赖于线粒体内膜上的解偶联蛋白1（UCP1）发挥产热作用（图一）1。寒冷刺激通过交感神经信号作用于棕色脂肪细胞，从而促进产热，同时线粒体结构会发生动态重塑。虽然寒冷诱导的BAT产热增加与线粒体重塑有关，但是寒冷刺激如何调控线粒体重塑还不够清楚。匡世焕教授早期通过谱系追踪发现了棕色脂肪与骨骼肌具有共同的来源，进而对棕色脂肪细胞进行深入研究。匡教授等人在透射电镜下观察棕色脂肪细胞线粒体形态，发现寒冷刺激诱导了线粒体嵴的动态重塑过程。通过对寒冷诱导的线粒体蛋白质组加以分析，他们发现线粒体嵴形态与线粒体蛋白质组改变有一致性，线粒体重塑主要调节因子OPA1的寒冷诱导情况也证实了这一点。接着，匡教授等人筛选出了FAM210A，一种寒冷诱导的线粒体内膜蛋白，它是维持BAT线粒体嵴结构所必要的。脂肪细胞特异性敲除Fam210a一方面导致BAT白色化，降低了BAT的产热活性和敲除小鼠寒冷耐受能力；另一方面破坏线粒体嵴结构，造成线粒体生成和功能的受损。OPA1是线粒体重塑的主要调节因子，而线粒体蛋白酶YME1L和OMA1可以剪切OPA1。匡教授等人发现敲除或过表达Fam210a会改变L/S-OPA1比值。进一步研究发现，FAM210A能与YME1L相互作用并调节其对OPA1和OMA1的剪切活性，从而调控寒冷诱导的线粒体嵴重塑过程。综上，本次报告匡世焕教授介绍了FAM210A是BAT中线粒体嵴重塑的关键调控因子，并阐明了寒冷刺激诱导线粒体重塑的机制。
图一，脂肪细胞线粒体内膜上的产热机制1
【精彩回顾】
寒冷诱导棕色脂肪中线粒体嵴重塑和蛋白质组变化
为了系统探究BAT中线粒体动力学，匡教授等人将热中性（30℃）饲养的野生型小鼠置于寒冷（6℃）环境中，并用透射电镜观察BAT中线粒体的形态变化。他们惊讶地发现，棕色脂肪细胞线粒体嵴在寒冷刺激下发生了动态重塑。在热中性条件下，线粒体嵴主要是松散且排列不规则的；在寒冷刺激6-24小时内，大部分线粒体的嵴缩小和弯曲，并排列成多个同心半圆；在寒冷刺激3-7天后，线粒体嵴变直且呈层状排列，随着时间的延长嵴越来越紧密（图二a，b）。
图二，寒冷刺激诱导线粒体嵴动态重塑2
为了进一步了解线粒体嵴重塑的分子基础，匡教授等人选取热中性和寒冷刺激后4个不同时间点，进行了无偏倚的BAT线粒体蛋白质组分析（图三a）。热图聚类显示线粒体蛋白质组的寒冷诱导表达特征明显，与线粒体嵴动态重塑过程相一致（图三b）。匡教授等人着重分析线粒体内膜上的线粒体融合、嵴形成等蛋白，发现寒冷刺激后OPA1剪切形式发生显著变化。长型OPA1（L-OPA1）可以维持线粒体嵴结构完整，他们观察到热中性时L-OPA1占主导地位，但其含量会在寒冷刺激6-24小时内急剧下降，同时伴随着短型OPA1（S-OPA1）的增多，等到寒冷刺激3-7天L-OPA1含量逐渐回升（图三c）。寒冷刺激时OPA1剪切形式的改变也与线粒体嵴动态重塑相一致。
图三，寒冷刺激下线粒体蛋白质组的变化2
FAM210A是寒冷诱导的线粒体内膜蛋白
为了探索线粒体嵴重塑的未知调控因子，匡教授等人重新分析线粒体蛋白质组数据，重点关注具有未知功能结构域的蛋白。接着发现了FAM210A，一个具有N端线粒体靶向信号、跨膜结构域和未知功能域DUF1279的蛋白（图四a），能在寒冷刺激时表达上调（图四b）。根据结构预测，FAM210A是线粒体膜蛋白，为了验证这一观点，匡教授等人使用体外分化的棕色脂肪细胞进行免疫荧光实验，发现FAM210A在分化前后均与线粒体存在共定位（图四c）。蛋白酶保护实验进一步发现，FAM210A是跨线粒体内膜蛋白，N端位于线粒体膜间隙，而长约12 kDa的C端位于线粒体基质内（图四d）。因此，FAM210A是寒冷诱导的线粒体内膜蛋白。
图四，FAM210A是寒冷诱导的线粒体内膜蛋白2
Fam210a缺失损害寒冷诱导的BAT产热
为了探究BAT中FAM210A的生理功能，匡教授等人通过杂交得到了脂肪细胞特异性敲除Fam210a的Fam210aAKO小鼠。与对照组相比，敲除鼠的BAT明显白色化，即出现大量白色脂肪细胞（图五a）。为了验证BAT产热功能是否受到损害，匡教授等人对小鼠进行急性寒冷刺激，发现Fam210aAKO小鼠的核心体温在3小时内迅速降低到34℃以下，而对照鼠核心体温维持在35℃（图五b），这说明Fam210a缺失导致小鼠寒冷不耐受。寒冷刺激通过β3-AR诱导BAT产热，直接给小鼠注射β3-AR激动剂CL-316,243，对照组小鼠耗氧量显著增加，但是不影响Fam210aAKO小鼠耗氧情况（图五c），这说明BAT产热功能受损。慢性寒冷刺激后，Fam210aAKO小鼠棕色脂肪组织产热基因表达下调，也印证了上述结论（图五d）。因此，脂肪细胞Fam210a敲除降低了BAT产热活性和小鼠寒冷耐受能力。
图五，脂肪细胞Fam210a缺失导致BAT产热功能受损2
FAM210A对线粒体功能和嵴重塑是必要的
从Fam210aAKO及对照小鼠BAT中分离SVF并分化为棕色脂肪细胞，相比于对照组，Fam210a敲除细胞耗氧率更低，说明线粒体中UCP1依赖的呼吸被部分抑制（图六a，b）。为了直接探索Fam210a缺失如何影响线粒体，匡教授等人检测了线粒体的丰度，发现Fam210aAKO小鼠的BAT中有更少的线粒体（图六c），说明Fam210a缺失抑制了寒冷诱导的线粒体生成。为了排除在脂肪细胞中敲除Fam210a对小鼠发育的影响，匡教授等人还使用了他莫昔芬诱导敲除的Fam210aiAKO小鼠。寒冷刺激下观察BAT线粒体嵴的形态，发现Fam210a缺失会导致线粒体嵴的逐渐减少（图六d，e），这说明FAM210A在维持线粒体嵴完整性上发挥重要作用，能调控寒冷诱导的线粒体嵴动态重塑。
图六，FAM210A调控BAT中寒冷诱导线粒体嵴重塑2
FAM210A精细调节YEM1L对OPA1和OMA1的剪切活性
为了深入研究FAM210A调控线粒体嵴重塑的分子机制，匡教授等人用Fam210aiAKO及对照小鼠的BAT进行线粒体蛋白质组分析，发现Fam210a敲除导致线粒体重塑相关调节因子OPA1表达水平下降。因此他们聚焦于FAM210A对OPA1的调控，发现Fam210a缺失降低了OPA1尤其是L-OPA1的含量（图七a），过表达Fam210a则有相反效果，也就是说FAM210A可以保护OPA1免受过度剪切。以往研究证实YEM1L和OMA1具有OPA1剪切活性，在Fam210aiAKO小鼠中注射两者的共同抑制剂o-phe，发现L-OPA1含量又有所回升（图七b），说明FAM210A是通过调节YEM1L和OMA1酶活来影响OPA1剪切的。为了得到更直接的证据，匡教授等人将上述几种蛋白纯化出来在水溶液中混合，然后惊讶地发现FAM210A直接增强YEM1L对OPA1的剪切，但不直接影响OMA1活性（图七c，d，e，f）。还有文献报道了YEM1L和OMA1可以互相降解对方，实验证明FAM210A也可以促进YEM1L对OMA1的降解（图七g，h）。
图七，FAM210A促进YEM1L对OPA1和OMA1的剪切2
综上所述，匡教授等人的发现建立了一个模型：L-OPA1可以维持线粒体嵴的稳定。当FAM210A正常行使功能时，寒冷刺激促进了FAM210A表达，从而增强YME1L活性，一方面剪切L-OPA1，另一方面降解OMA1抑制其活性，使得L/S-OPA1处在一个平衡状态，有利于线粒体嵴的动态重构；而当Fam210a缺失时，FAM210A不能通过YME1L限制OMA1活性，造成L-OPA1过度剪切成S-OPA1，导致线粒体嵴的破坏和消失（图八a）。
图八，FAM210A调控线粒体嵴重塑的示意图2
匡世焕教授的此次演讲，展示了寒冷刺激下线粒体嵴动态重塑的过程和分子机制，提出了寒冷诱导的线粒体内膜蛋白FAM210A在线粒体嵴重塑中的重要调节作用，为调控寒冷诱导的BAT产热指明了新的研究方向。
【参考文献】
1.Cohen, P. & Kajimura, S. The cellular and functional complexity of thermogenic fat. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 22, 393–409 (2021).
2. Qiu J, et al. FAM210A is essential for cold-induced mitochondrial remodeling in brown adipocytes. Nat. Commun. 14, 6344 (2023).
转自：“生命科学联合中心”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
