非规范溶酶体脂解驱动动员脂肪组织能量储存与禁食

禁食期间的生存需要脂肪组织脂质储存的释放，并且被认为依赖于规范脂肪酶，包括脂肪甘油三酯脂肪酶的限速作用。本研究表明，溶酶体和溶酶体酸性脂肪酶在小鼠空腹脂肪细胞脂解中起关键作用。

　　

非经典溶酶体脂肪分解在禁食期间驱动脂肪组织能量动员的研究解读

近日，来自匹兹堡大学医学院衰老研究所（Aging Institute of UPMC and University of Pittsburgh School of Medicine）等多个单位的研究人员，在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上发表了题为 “Non-canonical lysosomal lipolysis drives mobilization of adipose tissue energy stores with fasting” 的论文。该研究揭示了脂肪细胞在禁食期间的一种全新脂肪分解机制，对理解人体代谢适应过程以及相关疾病的发生发展具有重要意义，为未来开发针对代谢性疾病和衰老相关疾病的治疗策略提供了新的理论依据。

一、研究背景

在人体代谢过程中，禁食是一种常见的生理状态，它促使人体发生一系列生理适应，以维持生存。禁食期间，人体从依赖外源性能量摄入转变为依靠自身能量储备，其中脂肪组织的能量动员起着关键作用。经典观点认为，脂肪细胞通过包括脂肪甘油三酯脂肪酶（Pnpla2/ATGL）等中性脂肪酶，将脂肪酸和甘油从脂肪储存中释放出来，这一过程在适应性禁食反应中至关重要。然而，越来越多的研究对经典脂肪分解途径的主导地位提出了质疑。例如，即便对经典脂肪酶进行基因靶向，脂肪组织仍存在残余的脂肪分解活性；同时，禁食研究中发现编码经典脂肪酶的基因在脂肪组织中的表达，并不总是与适应性禁食反应的时间尺度一致。这些现象表明，可能存在替代的脂肪分解机制。此外，热量限制在多种模式生物中能够延长寿命，而禁食作为热量限制的一种形式，其相关生物学机制可能对人类健康具有广泛影响。因此，深入探究禁食期间脂肪组织的脂肪分解机制，不仅有助于理解人体代谢适应的过程，还可能为代谢性疾病和衰老相关疾病的研究提供新的视角。

二、研究材料与方法

（一）实验动物

研究主要使用小鼠作为实验动物，包括野生型 C57Bl/6 小鼠、Adiponectin-Cre、Adiponectin-CreER、Pnlpa2-floxed 小鼠、Tfeb-floxed 小鼠以及通过 CRISPR/Cas9 基因编辑技术构建的 Lipa 条件性敲除小鼠（Lipa-flox）。小鼠饲养在 12 小时光照 / 黑暗循环、温度为 22°C ± 2°C 的环境中，自由进食和饮水，实验时根据具体要求进行禁食处理。

（二）细胞系与细胞培养

实验使用了多种细胞系，如小鼠 3T3L1 前脂肪细胞、原代脂肪细胞祖细胞（AP）、人 SGBS 前脂肪细胞。3T3L1 前脂肪细胞和 AP 细胞在特定培养基中培养并诱导分化为脂肪细胞；SGBS 前脂肪细胞则根据已发表的方案在 DMEM/F12 培养基中培养并分化。此外，研究还使用了来自小鼠和人类的脂肪组织外植体进行体外培养。

（三）实验方法

研究采用了多种实验方法，包括基因编辑技术构建基因敲除小鼠模型，利用药理学抑制剂处理小鼠和细胞以阻断特定酶的活性；通过免疫印迹、qPCR、免疫荧光显微镜等技术检测蛋白质和基因表达水平；运用 ELISA 测定血浆和细胞培养上清中的代谢物浓度；借助网络医学分析方法，探究禁食相关基因与衰老相关基因及疾病之间的关系。

（四）技术路线

首先，通过对小鼠进行禁食实验，观察脂肪组织中溶酶体相关基因和蛋白质的表达变化，确定禁食是否激活溶酶体程序。接着，使用药理学抑制剂和基因敲除小鼠模型，分别从药物干预和基因层面探究溶酶体脂肪分解在禁食期间的作用。然后，对比经典 ATGL 依赖的脂肪分解和溶酶体脂肪分解在禁食不同阶段的动态变化，明确两种途径的时间依赖性。随后，在人类细胞和脂肪组织外植体中进行类似实验，验证溶酶体脂肪分解在人类中的存在。最后，运用网络医学分析，挖掘禁食与衰老相关疾病之间的潜在联系。

三、研究结果

（一）长时间禁食驱动小鼠脂肪组织中的溶酶体程序

研究人员通过 24 小时禁食小鼠模型发现，禁食后小鼠循环中的脂肪分解产物，如非酯化游离脂肪酸（NEFA）和甘油显著增加。免疫印迹结果显示，禁食后小鼠脂肪组织中溶酶体脂肪酶（LAL）以及 MiT/TFE 转录因子家族成员（TFEB、TFE3、MITF）的表达增强，而经典限速脂肪酶 ATGL 在腹股沟脂肪（iWAT）中的表达降低。qPCR 分析表明，禁食使脂肪细胞中参与脂肪生成和经典脂肪分解的基因表达下降，而 MiT/TFE 家族成员和溶酶体功能相关基因的表达上升。免疫荧光显微镜观察发现，禁食小鼠脂肪细胞中 LAMP1 阳性溶酶体的平均数量增加，ELISA 检测显示禁食小鼠脂肪细胞溶酶体中与脂质滴相关的 perilipin 含量显著升高。这些结果表明，长时间禁食能够激活小鼠脂肪组织中的溶酶体程序。

（二）系统性药理抑制溶酶体功能减弱禁食脂肪分解

研究人员使用两种溶酶体抑制剂（bafilomycin 和 lalistat2）和一种 ATGL 抑制剂（atglistatin）处理小鼠。体内实验结果显示，两种溶酶体抑制剂均能减弱禁食诱导的 NEFA 升高，而 ATGL 抑制剂在禁食期间对脂肪分解指标无明显影响，但能抑制异丙肾上腺素刺激的 NEFA 释放。体外实验中，溶酶体抑制剂能抑制脂肪组织外植体在营养限制条件下的 NEFA 和甘油释放，而 ATGL 抑制剂则无此作用。这些数据表明，溶酶体依赖的脂肪分解在营养限制或长时间禁食条件下发挥重要作用，而经典脂肪分解途径在应对肾上腺素能刺激的快速脂肪分解中起关键作用。

（三）ATGL 在小鼠长时间禁食期间脂肪动员中的作用有限

研究人员利用 Adiponectin-Cre 和 Pnlpa2floxed 小鼠构建了脂肪细胞特异性 ATGL 敲除小鼠模型。实验发现，脂肪细胞特异性敲除 ATGL 能消除异丙肾上腺素刺激的脂肪分解产物释放，但在 24 小时禁食期间，对 NEFA 和甘油的释放无抑制作用。此外，ATGL 敲除仅在雄性小鼠中适度减弱禁食体重减轻，对血糖、酮体和 FGF21 水平的影响也较小。在脂肪组织外植体实验中，敲除 ATGL 对 24 小时营养限制条件下的脂肪分解产物释放无显著影响，但能抑制短期儿茶酚胺刺激的释放。这些结果表明，ATGL 在应对急性肾上腺素能刺激和禁食早期阶段发挥作用，而在长时间禁食时，其对脂肪动员的作用有限。

（四）靶向溶酶体功能的转录调节因子减弱禁食脂肪分解

研究人员在 3T3L1 细胞和原代 AP 来源的脂肪细胞中，利用可诱导的短发夹 RNA（shRNA）系统，对溶酶体脂肪分解的候选上游转录调节因子进行基因敲低实验。结果发现，敲低 Lipa 和 Tfeb 对营养限制条件下的 NEFA 释放抑制作用最为显著，其中 Tfeb 敲低对甘油释放的抑制作用也具有统计学意义。在体内实验中，研究人员构建了脂肪细胞特异性 Tfeb 敲除小鼠模型，发现 Tfeb 敲低能减弱 24 小时禁食后血清中 NEFA 和甘油的升高，但对异丙肾上腺素刺激的脂肪分解无明显抑制作用，甚至略有增强。此外，Tfeb 敲除还影响了脂肪细胞中葡萄糖代谢相关基因的表达，导致系统血糖和酮体水平降低，体重减轻和血浆 FGF21 水平下降。这些结果表明，MiT/TFE 转录因子家族在调节溶酶体脂肪分解和禁食期间的代谢转换中发挥重要作用。

（五）禁食期间脂肪细胞脂肪分解从 ATGL 依赖向 LAL 依赖的时间转变

研究人员通过对不同禁食时间点的小鼠脂肪组织进行免疫印迹分析，发现 ATGL 的信号在禁食 4 - 12 小时逐渐减弱，而 LAL 的信号在 8 - 12 小时逐渐增强。在药理学抑制实验中，ATGL 抑制剂在禁食早期（0 - 4 小时）能有效抑制脂肪分解产物的释放，但这种抑制作用在 12 小时后减弱；相反，LIPA 抑制剂在 12 小时时能显著抑制脂肪分解指标。研究人员进一步构建了脂肪细胞靶向的 ATGL 和 LAL 敲除小鼠模型，发现 ATGL 敲除在禁食 8 小时时对脂肪分解有一定抑制作用，但 24 小时时作用消失；而 LAL 敲除在禁食 8 小时时能降低 NEFA 释放，24 小时时显著降低甘油和 NEFA 的释放。此外，LAL 敲除还能减弱体重减轻和血糖降低，而 ATGL 敲除则无此效果。这些结果表明，在小鼠禁食过程中，早期主要依赖 ATGL 进行脂肪分解，随着禁食时间延长，逐渐转变为依赖 LAL 的脂肪分解机制。

（六）溶酶体依赖的脂肪分解在人类脂肪组织禁食期间起作用

研究人员对人类皮下脂肪组织的纵向转录组分析发现，在禁食过程中，MITF 和 TFEC 这两个 MiT/TFE 家族成员的表达发生显著变化，且 MITF 的变化与 LIPA 的变化呈正相关。在人 SGBS 细胞实验中，靶向 LIPA 能减弱营养限制条件下的 NEFA 释放，而靶向不同的 MiT/TFE 因子对脂肪分解指标的抑制作用存在差异，其中 TFEC 靶向能显著减弱甘油释放并降低 LIPA 表达。在人类脂肪组织外植体实验中，两种溶酶体抑制剂均能减弱营养限制条件下脂肪分解产物的释放。这些结果表明，溶酶体依赖的脂肪分解在人类脂肪组织禁食期间也发挥作用，尽管人与小鼠在 MiT/TFE 因子的功能上存在差异。

（七）网络医学确定与衰老基因和衰老相关疾病相关的核心人类禁食网络

研究人员利用网络医学方法，将人类脂肪组织禁食转录组中的差异表达基因映射到人类蛋白质 - 蛋白质相互作用组（PPI）中。结果发现，禁食转录组形成了一个离散的模块，与衰老相关基因存在显著重叠和高度互联。通过计算介数中心性（BC），研究人员确定 MITF 是禁食与衰老表型相互作用的关键调节节点。此外，禁食模块与多种衰老相关疾病模块，如 2 型糖尿病、非酒精性脂肪性肝炎、阿尔茨海默病等，在网络上具有较高的接近度，同时与一些潜在的抗衰老药物靶点也存在关联。这表明禁食在人类脂肪组织中驱动了一个与衰老生物学、衰老相关疾病以及候选抗衰老药物紧密相连的功能程序。

四、研究结论与讨论

（一）研究结论

本研究通过多种实验方法，有力地证明了在脂肪细胞中存在一种非经典的溶酶体脂肪分解途径，该途径在禁食期间对脂肪组织的能量动员起着至关重要的作用。具体而言，在禁食过程中，溶酶体相关基因和蛋白质在小鼠和人类的脂肪组织及脂肪细胞中发生动态调节；抑制溶酶体功能或靶向调节溶酶体生物发生和功能的 MiT/TFE 转录因子，能够显著减弱禁食脂肪分解；在小鼠禁食过程中，脂肪分解机制存在从经典 ATGL 依赖途径向溶酶体 LAL 依赖途径的时间转变；在人类脂肪组织中，也存在溶酶体依赖的脂肪分解现象，且与 MiT/TFE - LIPA 轴相关。此外，网络医学分析揭示了禁食与衰老相关疾病之间的紧密联系，突出了 MITF 在这一过程中的重要调节作用。

（二）讨论

本研究的发现对传统的脂肪分解理论提出了挑战，为深入理解脂肪细胞代谢提供了新的视角。以往对经典脂肪分解途径的研究大多基于肾上腺素能刺激模型，可能高估了其在禁食脂肪分解中的作用。同时，多数 ATGL 功能研究采用组成型敲除方法，容易受到基础代谢差异的干扰。本研究中观察到的两种脂肪分解途径的互补性，不仅体现在功能的时间依赖性上，还体现在当一条途径被破坏时，另一条途径会出现补偿性上调。未来需要进一步探究这两条途径之间直接的相互作用机制。

此外，MiT/TFE 家族在溶酶体脂肪分解中的作用复杂且存在种属差异。在小鼠和人类中，不同的 MiT/TFE 因子对脂肪分解的调节作用有所不同，这为后续深入研究其调控机制和功能特异性提供了方向。从临床角度来看，溶酶体脂肪分解途径的异常与多种代谢性疾病相关，如 LIPA 功能缺失会导致系统性代谢紊乱。因此，深入研究这一途径有望为开发治疗代谢性疾病和衰老相关疾病的新策略提供理论基础。

总的来说，该研究揭示的非经典溶酶体脂肪分解途径及其与衰老相关疾病的联系，为代谢生物学领域开辟了新的研究方向，对未来的基础研究和临床应用具有重要的指导意义。