揭示黑皮质素 3 受体调控肝脏自噬与全身肥胖的全新机制

为探究 MC3R 在肝脏自噬和全身肥胖中的作用，美国国立卫生研究院的研究人员开展相关研究，发现 MC3R 可调节肝脏自噬和全身肥胖。该研究为理解肥胖机制提供新视角，对代谢性疾病研究意义重大，值得科研读者一读。

　　

美国国立卫生研究院（NIH）下属的尤尼斯?肯尼迪?施莱弗国家儿童健康与人类发展研究所（Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development, NICHD）的研究人员 Tushar P. Patel、Joo Yun Jun 等人在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Melanocortin 3 receptor regulates hepatic autophagy and systemic adiposity” 的论文。这篇论文在代谢性疾病研究领域意义重大，为深入理解肥胖及相关代谢紊乱的发病机制提供了新视角，有望为开发针对性治疗策略奠定基础。

研究背景

在人体的新陈代谢中，肝脏自噬（一种细胞内分解代谢过程，可清除受损细胞器和蛋白质聚集物等，维持细胞内环境稳定）对全身脂质稳态至关重要，它能促进细胞内脂滴（LDs，储存脂肪的细胞结构）的形成和循环利用，防止肥胖相关并发症和肝脏脂肪变性。而自噬功能受损与代谢功能障碍相关的脂肪肝疾病（MAFLD）发展密切相关，此前研究发现肥胖小鼠模型中肝脏自噬发生了改变。

黑皮质素 3 受体（MC3R）与黑皮质素 4 受体（MC4R）是主要在中枢神经系统（CNS）表达的 G 蛋白偶联受体，它们参与调节能量消耗和全身肥胖。敲除小鼠相关研究以及人类 MC3R 基因变异分析都证实了 MC3R 在调节体重、肥胖和青春期发育方面的作用。在小鼠中，整体 Mc3r 基因缺失会导致一种轻度、晚发型肥胖，虽然体重增加幅度适中，但肝脏甘油三酯（TG）积累显著增加。不过，此前对于 MC3R 在肥胖发生过程中的外周功能，尤其是在肝脏自噬和脂肪代谢方面的作用，还知之甚少。

研究方法

1. 动物模型构建：研究使用了多种小鼠模型，包括 Mc3r 基因缺陷小鼠（）、携带与人类肥胖相关的突变型 MC3R 的敲入小鼠（）、肝脏特异性恢复 Mc3r 表达的小鼠（）等。通过将这些小鼠与特定基因型小鼠杂交，实现对特定基因的调控，以研究 MC3R 在不同条件下的功能。
2. 分子生物学技术：运用液滴数字 PCR（ddPCR）检测小鼠肝脏中 Mc3r 的转录水平；采用 Western blot 分析蛋白表达和磷酸化水平，以此探究相关信号通路的变化；进行 RNA 测序（RNA-seq），全面分析基因表达谱的差异，确定差异表达基因（DEGs），并通过基因本体（GO）分析了解受影响的生物学途径。
3. 细胞实验：分离培养原代肝细胞，利用透射电子显微镜（TEM）观察自噬体（AP）的形态和数量，评估肝脏自噬和脂滴循环情况；通过 Seahorse 线粒体应激测试检测肝细胞的线粒体呼吸功能，分析细胞代谢能力。
4. 生理指标检测：使用双能 X 射线吸收仪（DEXA）测量小鼠的身体成分；通过间接测热法测定小鼠的能量消耗、氧气消耗率（）、呼吸交换比（RER）等代谢指标；检测血清中的代谢物浓度，如甘油三酯、非酯化脂肪酸（NEFA）、胆固醇等，评估脂质代谢情况。

研究结果

1. Mc3r 表达调节全身和肝脏肥胖：研究人员通过 ddPCR 发现，小鼠肝脏中存在 Mc3r 转录本，且其在对照组肝脏中的表达在夜间（ZT12）较高，此时 MC3R 配体在啮齿动物血浆中循环。与对照组相比，和小鼠体重逐渐增加，全身脂肪和肝脏 TG 积累增多，油红 O 染色和 TEM 结果也证实了肝脏脂肪沉积增加。
2. MC3R 缺陷肝脏中自噬体周转异常：TEM 观察显示，和小鼠肝脏中自噬体数量与对照组相似，但自噬体降解效率较低，含有未降解的膜结构，且常出现自噬体聚集现象。通过监测 LC3II 表达和使用氯喹阻断自噬体 - 溶酶体融合实验发现，和小鼠肝脏自噬通量受到干扰，p62/SQSTM1（一种自噬降解的关键货物蛋白）积累。在转基因 GFP - LC3 小鼠中也观察到，或小鼠肝细胞中 GFP - LC3 囊泡聚集，自噬体体积增大，这些都表明 MC3R 缺陷导致小鼠肝脏自噬体周转受损。
3. 肝脏特异性 MC3R 在控制肥胖和葡萄糖代谢中的作用：通过将小鼠与仅在肝细胞中表达 Cre 重组酶的小鼠杂交，获得肝脏特异性恢复 Mc3r 表达的小鼠。研究发现，小鼠的脂肪和瘦肉质量百分比相对于小鼠显著改善，但仍未完全恢复到对照组水平。同时，小鼠血清胰岛素、空腹葡萄糖浓度以及胰岛素敏感性相关指标（如葡萄糖和胰岛素耐量试验曲线下面积 AUC）也得到改善，这表明肝脏特异性恢复 MC3R 表达可改善肥胖和葡萄糖代谢异常。
4. 肝脏特异性 MC3R 在控制肝脏脂肪积累和脂肪酸代谢中的作用：H&E 染色和油红 O 染色显示，小鼠肝脏中升高的脂肪沉积得到逆转，组织 TG 含量恢复正常，肝脏重量也恢复正常，但附睾白色脂肪组织（eWAT）重量仅部分降低。血清代谢物检测发现，小鼠血清 TG、NEFA 和总胆固醇浓度恢复正常，这表明肝脏特异性恢复 MC3R 表达可改善肝脏脂肪积累和脂肪酸代谢。此外，研究还发现基因缺陷会导致脂肪酸代谢相关基因表达异常，如 Cd36 在禁食状态下表达增加，Cidec 表达上调，Ppargc1a 在禁食状态下表达降低，而肝脏特异性恢复 Mc3r 表达可使这些基因表达恢复正常。
5. MC3R 缺陷对进食行为的影响：监测小鼠 15 天的食物摄入量发现，和小鼠在常温（22°C）下的能量摄入量显著低于对照组，且这种差异在调整体重、瘦肉和脂肪质量后仍然存在。在热中性（30°C）环境下，小鼠的能量摄入量也低于对照组。重新表达肝脏 Mc3r 并不能恢复能量摄入，这表明 MC3R 缺陷导致的进食行为改变是由中枢神经系统（CNS）调节的，而非肝脏调节。
6. 肝脏 Mc3r 重新激活对能量消耗、运动和棕色脂肪组织产热的影响：间接测热法结果显示，小鼠的总能量消耗（TEE）在光照和黑暗阶段均显著低于对照组，而小鼠的 TEE 相对于小鼠显著增加，这表明肝脏 Mc3r 重新激活可改善能量消耗。测量结果表明，小鼠的氧气消耗显著降低，小鼠则有所恢复。RER 结果显示，小鼠的 RER 相对于小鼠显著增加，表明其底物偏好发生改变，从脂肪代谢转向碳水化合物代谢。此外，研究发现 Mc3r 缺陷对棕色脂肪组织（BAT）的 UCP - 1 活性和产热没有显著影响，且各组小鼠的运动活性相似，这表明运动不是 MC3R 缺陷导致肥胖表型改变的因素。
7. 肝脏 Mc3r 重新激活恢复适应性能量消耗、细胞呼吸和脂滴自噬：在冷暴露实验中，小鼠的适应性能量消耗显著受损，而小鼠能够正常响应冷暴露。Seahorse 线粒体应激测试结果显示，小鼠原代肝细胞的基础呼吸和最大呼吸均降低，而小鼠的这些指标得到恢复，这表明肝脏 Mc3r 对调节适应性能量消耗和细胞呼吸至关重要。RNA - seq 分析和 GO 通路分析表明，肝脏自噬是影响 MC3R 缺陷小鼠脂肪积累和脂质分配的主要机制，肝脏特异性恢复 Mc3r 表达可恢复自噬相关基因的表达，改善脂质代谢。
8. 肝脏 MC3R 激活和循环血浆神经肽在自噬调节中的作用：在体外实验中，用 [D - Trp?] - γ - MSH 刺激携带转基因 GFP - LC3 的原代肝细胞发现，对照组细胞中 GFP - LC3 结构显著增加，而或肝细胞中无明显变化，这表明 MC3R 激活可调节小鼠肝脏自噬。体内实验也证实，腹腔注射 [D - Trp?] - γ - MSH 可显著增加正常小鼠肝脏 LC3II 水平。此外，研究还发现小鼠血浆 γ - MSH 调节异常，且原代肝细胞对 MC3R 特异性激动剂的 cAMP 反应受损，这表明小鼠肝脏细胞中 MC3R 信号通路存在缺陷。
9. MC3R 通路影响 TFEB 信号在肝脏自噬调节中的作用：研究发现，在血清饥饿条件下，MTORC1 和 AMPK 信号在和对照组肝细胞中的变化相似，但肝细胞中 TFEB 的核转运在血清饥饿时无法触发，而在对照组和细胞中可以。用 [D - Trp?] - γ - MSH 处理后，完整 Mc3r 的肝细胞中自噬相关基因和溶酶体稳态相关基因的转录显著上调，而 MC3R 活性不足的细胞中这些基因的表达失调。此外，通过对肝脏组织的 RNA - seq 数据分析发现，小鼠中 TFEB 驱动的自噬相关基因表达增加，这表明 MC3R 通路与 TFEB 信号在肝脏自噬调节中存在相互作用。

研究结论与讨论

这项研究揭示了 MC3R 是肝细胞自噬的新型调节因子。在两种 MC3R 功能不足的小鼠模型中，研究人员发现自噬通量以独特方式被破坏。γ - MSH（一种与 MC3R 具有特异性亲和力的神经肽）在体内外激活 MC3R 后，可驱动 TFEB 信号通路，进而激活与自噬或溶酶体稳态相关的基因，促进肝脏自噬。肝脏特异性恢复 MC3R 表达能够改善全身脂质代谢，尽管不能完全恢复，但显著改善了 Mc3r 基因敲除小鼠的代谢异常，包括降低肝脏甘油三酯含量、减轻肝脏重量、改善 eWAT 重量、恢复正常的循环脂质浓度等，这些结果表明肝脏 MC3R 在调节体重方面发挥着重要作用。

此外，研究还发现 MC3R 缺陷导致的进食行为改变主要由中枢神经系统调节，而肝脏 MC3R 重新激活可改善能量消耗、氧气消耗和 RER 等代谢指标，这些变化可能是小鼠肥胖程度减轻的潜在机制。同时，研究表明 MC3R 可能通过调节 TFEB 的核转运来调控肝脏自噬，虽然 MC3R 对溶酶体生物发生的影响较小，但可能在微调溶酶体活性方面发挥作用。

该研究成果不仅为理解肥胖及相关代谢紊乱的发病机制提供了新的理论依据，还为开发针对代谢性疾病的治疗策略开辟了新方向。未来，利用组织特异性敲除小鼠模型进一步深入研究 MC3R 对肝脏脂滴自噬的影响，以及探索 MC3R 在神经元和外周组织中的双重作用，将有助于揭示大脑 - 外周组织在代谢调节中的通信机制，为临床治疗肥胖和相关代谢性疾病提供更精准的靶点和策略。