肥胖相关 FTO 等位基因如何影响人体骨骼肌细胞？研究揭示关键机制

研究人员利用 CRISPR 技术敲入 FTOrs9939609 - A，发现其加速骨骼肌发育等，或可解释相关 GWAS 矛盾发现。

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在全球范围内，肥胖问题日益严峻，预计到 2030 年，高达 58% 的全球成年人口将超重。肥胖不仅与体重指数（BMI）增加密切相关，还常常伴随着胰岛素抵抗（IR）以及多种并发症，如 2 型糖尿病（T2D）和代谢综合征（MetS） 。

基因组 - wide 关联研究（GWASs）已识别出许多与肥胖、IR、T2D 和 MetS 相关的单核苷酸多态性（SNPs） 。其中，FTO 基因几乎总是与这些病症关联最为紧密的异常位点，尤其是 FTO^rs9939609 SNP。然而，FTO 基因的作用机制却充满谜团。一方面，FTO 基因的某些 SNP 与肥胖显著相关；另一方面，FTO 基因敲除小鼠并不总是表现出瘦的表型，而且 FTO 基因敲除在人类发育过程中是致命的，这表明小鼠和人类的 FTO 基因回路存在根本差异。此外，在人类样本研究中，FTO 基因的高风险 A 等位基因与肥胖的关系也不明确，其在不同研究中呈现出相互矛盾的结果。这些困惑促使研究人员深入探索 FTO 基因在人类中的真正作用机制。

为了解开这些谜团，中国科学院动物研究所、中国科学院干细胞与再生医学研究所、中国科学院大学以及北京干细胞与再生医学研究院等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为理解 FTO 基因与肥胖、胰岛素抵抗之间的关系提供了新的视角。

研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。首先，运用 CRISPR/Cas9 - 基于的 prime editing 技术，对 FTO^{rs9939609 - TT}的 H1、H7 和 H9 人胚胎干细胞（hESCs）进行基因编辑，使其携带 FTO^{rs9939609 - A}等位基因 。其次，通过诱导这些编辑后的 hESCs 分化，构建了多种组织模型，包括神经外胚层、内胚层和中胚层来源的组织模型。再者，利用 RNA 纯化、逆转录、RT - qPCR、MeRIP - RT - qPCR、Western blots、测序等分子生物学技术，对基因表达、蛋白质水平以及 m⁶A 甲基化水平等进行检测和分析 。此外，还建立了胰岛素抵抗模型，通过感染携带 FoxO1 - GFP 的慢病毒，观察胰岛素信号通路的变化。

研究结果

1. CRISPR prime editing 一个 FTO SNP 位点加速肌源性发育：研究人员利用 CRISPR/Cas9 - 基于的 prime editing 技术，成功构建了 6 个携带 FTO^{rs9939609 - A} SNP 的 hESC 克隆。实验结果显示，与 FTO^{rs9939609 - T} hESC 克隆相比，FTO^{rs9939609 - A}克隆在向肌源性祖细胞分化过程中，肌源性转录因子（如 PAX3、PAX7、MYF5、MYOD1 和 MYOG）的表达显著升高，分化标记物（如肌球蛋白重链 MYHC 和骨骼肌肌动蛋白 ACTA1）的表达也大幅增加，这表明 FTO^{rs9939609 - A} SNP 能高效促进向肌源性祖细胞的分化 。在向肌细胞和肌管分化的过程中，FTO^{rs9939609 - A}克隆同样表现出更高水平的肌源性基因表达，RNA - 测序结果也证实了 FTO^{rs9939609 - A}肌管在 PAX3/MYOD 诱导的肌源性分化特征上显著富集 。
2. 编辑后的 FTO SNP 加速肌管和肌纤维的成熟：FTO^{rs9939609 - A}肌细胞在分化为多核肌管的程度更高，肌管的长度和面积等形态学参数也显著增强。在二维培养中，FTO^{rs9939609 - A}肌管表现出更高的收缩性，这是成熟肌节和肌纤维成熟的功能指标。在三维肌肉类器官模型中，FTO^{rs9939609 - A}肌纤维对电刺激的收缩反应更强，且具有更高的肌肉收缩耐力 。转录组分析显示，FTO^{rs9939609 - A}肌肉类器官与 FTO^{rs9939609 - T} hESCs 来源的肌肉类器官相比，有 1864 个基因的表达存在显著差异，这些差异基因主要涉及离子通道、神经肌肉突触成分和骨骼肌分化基因等。
3. 编辑后的 FTO SNP 促进肌源性祖细胞的增殖和衰老：研究发现，FTO^{rs9939609 - A}肌源性祖细胞中肌肉干细胞转录因子 PAX7 的水平较高，细胞计数实验证实其增殖速率更快 。然而，通过衰老相关 β - 半乳糖苷酶（SA - βgal）染色发现，随着传代次数增加，FTO^{rs9939609 - A}肌源性祖细胞中的衰老细胞数量约为 FTO^{rs9939609 - T} hESCs 来源细胞的两倍，这表明 FTO^{rs9939609 - A} SNP 在促进增殖的同时，也加速了肌肉祖细胞的衰老和耗竭 。
4. 编辑后的 FTO SNP 加速高脂饮食血清诱导的肌肉胰岛素抵抗：利用 FTO^{rs9939609 - A}肌管构建胰岛素抵抗模型，研究人员发现，与 FTO^{rs9939609 - T}肌管相比，FTO^{rs9939609 - A}肌管在基线时胰岛素敏感性较高，但在暴露于高脂饮食（HFD）血清 14 天后，胰岛素抵抗显著增加 。Western blotting 结果显示，FTO^{rs9939609 - A}肌管在 HFD 血清处理后，胰岛素信号通路的关键标记物（如磷酸化 IRS1、磷酸化 AKT 和磷酸化 FOXO）水平显著降低，葡萄糖摄取实验也证实了胰岛素信号的变化导致了葡萄糖摄取减少 。
5. 编辑后的 FTO SNP 通过 m⁶A 去甲基化导致 IGF2 和 H19 表达增加：基因集富集分析（GSEA）显示，FTO^{rs9939609 - A}肌管中 IGF 信号特征上调 。ELISA 分析和 Western blotting 结果表明，FTO^{rs9939609 - A}肌管分泌的 IGF2 水平显著升高，IGF2 mRNA 水平也大幅增加 。同时，FTO^{rs9939609 - A}等位基因还使 H19 长链非编码 RNA（lncRNA）的表达增加了数千倍，且 H19 lncRNA 和 IGF2 mRNA 的 m⁶A 甲基化水平显著降低 。进一步研究发现，FTO^{rs9939609 - A}突变导致骨骼肌细胞中 FTO 增强子 EH38E1816455 的 H3K27ac 显著增加，从而促进 FTO 表达，增强 m⁶A 去甲基化酶活性，进而增加 IGF2 和 H19 的表达 。
6. 编辑后的 FTO SNP 诱导的表型可被 FTO 抑制、IGF2 抑制和 H19 敲低减弱：使用 FTO m⁶A 去甲基化酶抑制剂（bisantrene 和 entacapone）处理 FTO^{rs9939609 - A}肌细胞，发现可以减弱其增强的胰岛素 / IGF 敏感性、肌源性分化、增殖和衰老表型，并能逆转 HFD 血清诱导的胰岛素抵抗 。同样，使用 IGF2 单克隆抗体抑制 IGF2 或通过 RNAi 敲低 H19 lncRNA，也能显著减弱 FTO^{rs9939609 - A}肌细胞的上述表型，这进一步证实了 FTO - m⁶A - H19/IGF2 通路在调节肌肉发育和胰岛素抵抗中的重要作用 。

研究结论与讨论

本研究通过构建携带 FTO^{rs9939609 - A} SNP 的 hESC - 组织模型，深入揭示了 FTO 基因在人类骨骼肌发育和胰岛素抵抗中的作用机制。FTO^{rs9939609 - A} SNP 通过增强 FTO 表达和 m⁶A 去甲基化，增加 IGF2 和 H19 的表达，从而刺激胰岛素 / IGF 信号通路，促进肌肉发育和生长 。然而，长期过度刺激胰岛素 / IGF 信号通路会导致反馈抑制，引发细胞衰老和肌肉胰岛素抵抗 。这一发现解释了 FTO 基因与肥胖、胰岛素抵抗之间的复杂关系，以及 FTO^{rs9939609 - A} SNP 与瘦肉量和脂肪量之间看似矛盾的关联 。此外，研究还表明，至少在携带 FTO^{rs9939609 - A} SNP 的个体中，骨骼肌在衰老和高脂饮食暴露下更容易受到胰岛素 / IGF 信号过度激活和胰岛素抵抗的影响 。

该研究成果具有重要的意义。一方面，为理解人类肥胖和胰岛素抵抗的发病机制提供了新的理论依据；另一方面，展示了 CRISPR - hESC - 组织平台在研究人类生长和代谢遗传学问题中的巨大潜力，为后续相关研究开辟了新的方向。未来，有望利用这一平台进一步研究更多基因型 - 表型关系问题，为开发针对肥胖和相关代谢疾病的精准治疗策略提供有力支持。