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代谢学人-- Nature Metabolism 12月代谢精选

已有 2612 次阅读 2021-12-29 13:02 |个人分类:代谢荐读|系统分类:科研笔记

代谢学人

Nature Metabolism 12月代谢精选



撰文 | 刘秀玉 高逸宁 张雅慧 刘爽 曹玉香 李国强

编辑 | 孟美瑶

校对 | 刘爽






寒潮又双叒叕来了

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周一也又双叒叕来了



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再累再忙也要注意身体

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新的一周
代谢学人陪您一起品荐读

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猫咪并不是在偷懒



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也不是在偷吃



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它们只是在思考先有鸡还是先有蛋的问题
米色脂肪富含线粒体
那么,脂肪棕色化和线粒体增多之间
是先有鸡还是先有蛋呢?
本期Nature Metabolism研究
就把这个问题拿捏住了


抓鸡.gif


研究发现线粒体蛋白Opa1在脂肪中的特异性过表达
通过调控尿素代谢循环和富马酸累积
足以促使脂肪细胞发生自主性棕色化



 Nature metabolism

1、线粒体蛋白Opa1通过尿素循环代谢物促进脂肪

Opa1打开脂肪细胞棕色化新方式!

中文摘

白色脂肪细胞向棕色/米色脂肪细胞转化是解决当前肥胖流行病的一种潜在治疗策略。线粒体是棕色脂肪能量消耗的关键,但尚不清楚线粒体是否能促使脂肪细胞棕色化。在本文中,研究人员发现线粒体嵴生成蛋白Opa1(视神经萎缩蛋白1)能促进脂肪细胞自主性棕色化。在两个肥胖人群中(其中包括体重不一致的同卵双胞胎,一个正常,一个肥胖)均发现Opa1水平降低。在小鼠中,脂肪组织特异性过表达Opa1可以促进白色脂肪分化和棕色化,进而改善机体葡萄糖耐受和胰岛素敏感性。转录组学和代谢组学分析鉴定出Jumanji家族染色质重塑蛋白Kdm3a和尿素循环代谢物(包括Opa1依赖的棕色化效应物富马酸盐)。机制上,过表达Opa1的前脂肪细胞中cAMP(环腺苷)水平升高,进而激活CREB(cAMP反应元件结合蛋白),促进尿素循环酶的转录。前脂肪细胞的LC/MS检测分析表明,Opa1通过尿素循环促进富马酸积累。相反,脂肪细胞特异性的Opa1缺失会抑制前脂肪细胞的尿素循环过程和前脂肪细胞的棕色化分化,补充富马酸可以修复这一过程。由此,线粒体嵴重塑蛋白Opa1通过尿素循环促进白色脂肪棕色化。


拓展阅读

尿素循环(UC)

尿素循环(Urea cycle,也称鸟氨酸循环)是Hans Krebs和Kurt Henseleit发现的一个代谢循环,主要发生在肝脏,即肝细胞通过一系列生化反应将蛋白质和氨基酸代谢产生的有毒物质氨转变成无毒物质尿素,最后随尿液排出。UC由五种催化酶组成:包括两种线粒体酶(氨甲酰基磷酸合成酶1 (CPS1)和鸟氨酸转甲甲酰基酶(OTC)),也被称为近端UC酶;三种胞质酶(精氨酸琥珀酸合成酶(ASS1)、精氨酸琥珀酸裂解酶(ASL)和精氨酸酶(ARG),也被称为远端UC酶。UC还包括两个氨基酸转运体:溶质载体家族25成员13 (SLC25A13;也被称为柑橘素)和线粒体鸟氨酸转运蛋白1 (ORNT1;也被称为SLC25A15),以及一种辅助因子产生酶,N -乙酰谷氨酸合成酶(NAGS)。UC循环对人体健康有着重要意义,一方面,UC循环不仅将氨和CO2合成为尿素,而且生成一分子延胡索酸,使UC循环与TCA循环联系起来。另外,肝脏中尿素的合成是除去机体内氨毒害作用的主要途径,UC循环的任何一个步骤出问题都有可能产生疾病。如果完全缺乏UC循环中的某一个酶,婴儿在出生不久就昏迷甚至死亡;如果是部分缺乏,则会引起智力发育迟滞、嗜睡和经常呕吐等不良症状。

UC循环

UC循环在肝脏中存在是公认的。然而也有报道除肝脏外,脂肪中也存在参与UC循环的酶。2015年的一篇文献中作者证实大鼠的SAT中有一整套UC循环的酶。然而作者的研究结论是脂肪组织中并不进行完整的UC循环,而是提供参与UC循环的中间产物,补充肝脏的UC循环。目前对于脂肪与UC循环的研究,一般认为脂肪组织参与精氨酸和瓜氨酸代谢,而这两种氨基酸代谢与UC循环密切相关。因此脂肪组织的代谢状态(主要是氨基酸代谢)也能够影响UC循环。

UC循环与TCA循环的联系

UC循环和TCA循环的联系:精氨酸代琥珀酸在ASL的作用下生成延胡索酸和精氨酸,UC循环中产生的延胡索酸进入TCA循环,而TCA循环产生的草酰乙酸转变为天冬氨酸进入UC循环。UC循环与TCA循环的联系是基于精氨酸代琥珀酸的断裂与形成实现的。

参考文献:

[1] Bigot A, et al. J Inherit Metab Dis. 2017Nov;40(6):757-769.

[2] Keshet R, et al. Nat Rev Cancer. 2018 Oct;18(10):634-645.

[3] Sofiía Arriarán, et al. RSC Advances. 2015 Oct; 5,93403-93414.

The mitochondrial protein Opa1 promotes adipocyte browning that is dependent on urea cycle metabolites.

一作:Bean, C., Audano,M., Varanita, T.PI:Nico Mitro, LucaScorrano

发表单位Department of Biology,University of Padova

Abstract

White to brown/beige adipocytes conversionis a possible therapeutic strategy to tackle the current obesity epidemics.While mitochondria are key for energy dissipation in brown fat, it is unknownif they can drive adipocyte browning. Here, we show that the mitochondrialcristae biogenesis protein optic atrophy 1 (Opa1) facilitates cell-autonomousadipocyte browning. In two cohorts of patients with obesity, including weightdiscordant monozygotic twin pairs, adipose tissue OPA1 levels are reduced. Inthe mouse, Opa1 overexpression favours white adipose tissue expandability as well as browning, ultimately improvingglucose tolerance and insulin sensitivity. Transcriptomics and metabolomicsanalyses identify the Jumanji family chromatin remodelling protein Kdm3a andurea cycle metabolites, including fumarate, as effectors of Opa1-dependentbrowning. Mechanistically, the higher cyclic adenosine monophosphate (cAMP)levels in Opa1 pre-adipocytes activate cAMP-responsive element binding protein(CREB), which transcribes urea cycle enzymes. Flux analyses in pre-adipocytesindicate that Opa1-dependent fumarate accumulation depends on the urea cycle.Conversely, adipocyte-specific Opa1 deletion curtails urea cycle and beigedifferentiation of pre-adipocytes, and is rescued by fumarate supplementation.Thus, the urea cycle links the mitochondrial dynamics protein Opa1 to whiteadipocyte browning.

原文链接:https://www.nature.com/articles/s42255-021-00497-2




人类虽然建立了伟大的文明

但有时还是不够精致


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不像大自然中处处充满了精巧的设计


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本期Nature Metabolism研究了细胞中的精巧机制

发现过氧化物酶体通过脂肪酸β-氧化

感知细胞脂肪酸水平

并通过调节活性氧产生

影响脂肪水解(lipolysis)过程



 Nature metabolism
  

2、过氧化物酶体β-氧化作为胞内脂肪酸传感器调节脂解

过氧化物酶体与脂肪酸的“梦幻联动”


中文摘

细胞释放脂肪酸(FAs)的脂质水解过程受脂肪酶—脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)、激素敏感脂肪酶(HSL)和单酰基甘油脂肪酶(MGL)的活性调控。不受控制的脂解会导致FA过度释放,导致脂毒性,进而促进代谢紊乱。然而,细胞是否能直接感知FAs来维持胞内脂质稳态尚不清楚。本文报道了一种细胞感知FAs的机制,其通过过氧化物酶体降解FAs,并与活性氧(ROS) 产生偶联,从而调节脂解来控制FA释放。过氧化物酶2 (PEX2) 能够感受ROS水平的变化,并通过翻译后泛素化修饰调节ATGL水平。科研人员通过基因和药理学方法改变体内ROS水平,证明了该途径促使肝脏ATGL水平增加和改善肝脏脂肪变性,对非酒精性脂肪性肝病进展非常重要。本研究发现的过氧化物酶体β-氧化介导的反馈机制在多个器官中保守存在,其偶联了过氧化物酶体功能和脂滴分解,可能为控制脂解,改善代谢紊乱提供新的途径。


拓展阅读

过氧化物酶体的β-氧化

过氧化酶体是一种细胞器,几乎存在于所有真核细胞中,在与脂质代谢有关的许多过程中发挥重要作用。中长链FAs主要在线粒体中被氧化,在过氧化物酶体中被氧化的程度较低,而超长链FAs (VLCFAs)几乎完全通过过氧化物酶体中的β-氧化进行代谢。过氧化物酶β-氧化的关键限速酶是酰基辅酶A氧化酶1 (ACOX1),这是一种过氧化物酶基质蛋白,它催化酰基辅酶A去饱和为2-反式烯醇基辅酶A,从而产生过氧化氢(H2O2),这占哺乳动物组织产生的总H2O2的35%(在线粒体中,FA的氧化产物则主要进入呼吸链,偶联产生ATP)。

为了有效对抗过氧化物酶体β-氧化升高引起的氧化应激,过氧化物酶体将过氧化氢酶(CAT)导入过氧化物酶体基质中,使H2O2转化为H2OO2为了将过氧化物酶体基质蛋白(如CAT等)导入过氧化物酶体,需要不同过氧化物酶(PEXs)的协同作用。其中,PEX2蛋白水平受到过氧化物酶体内ROS水平的调节,形成分子内和分子间的二硫键,这些键控制着其在活性氧水平变化时的稳定性。脂肪分解或外源性的FAs会导致过氧化物酶体的β-氧化,β-氧化产生的ROS稳定PEX2。过氧化物酶体与脂滴脂解之间存在功能性串扰,构成了一种保守的调节机制,当ATGL分布在不同细胞类型的脂滴表面进行蛋白酶体靶向降解时,PEX2 特异性地促进ATGL K92位点泛素化,进而促进ATGL降解,脂解减少,维持FAs的稳态。

参考文献:

[1] Wanders, R. J. A. Biochimie 98, 36–44 (2014).

[2]Boveris, A., Oshino, N. & Chance, B. Biochem. J. 128,617–630 (1972).

Peroxisomal β-oxidation acts as a sensor for intracellular fatty acids and regulates lipolysis

一作:Lianggong DingPI:Markus Heim ,ChristianWolfrum

发表单位Institute of Food,Nutrition and Health ETH Zürich, Schwerzenbach, Switzerland

Abstract

To liberate fatty acids (FAs) from intracellular stores,lipolysis is regulated by the activity of the lipases adipose triglyceridelipase (ATGL), hormone-sensitive lipase and monoacylglycerol lipase. ExcessiveFA release as a result of uncontrolled lipolysis results in lipotoxicity, whichcan in turn promote the progression of metabolic disorders. However, whethercells can directly sense FAs to maintain cellular lipid homeostasis is unknown.Here we report a sensing mechanism for cellular FAs basedon peroxisomal degradation of FAs and coupled with reactive oxygen species(ROS) production, which in turn regulates FA release by modulatinglipolysis. Changes in ROS levels are sensed by PEX2, which modulates ATGLlevels through post-translational ubiquitination. We demonstrate the importanceof this pathway for non-alcoholic fatty liver disease progression using geneticand pharmacological approaches to alter ROS levels in vivo, whichcan be utilized to increase hepatic ATGL levels and ameliorate hepaticsteatosis. The discovery of this peroxisomal β-oxidation-mediated feedbackmechanism, which is conserved in multiple organs, couples the functions ofperoxisomes and lipid droplets and might serve as a new way to manipulatelipolysis to treat metabolic disorders.


原文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34903883/


酸奶盖子太难撕


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再难也得喝啊

靠这些有益菌打败有害菌

可以防止发胖哦!


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本期Nature Metabolism研究发现

肠道微生物群落会分泌一种δ-甜菜碱

能够抑制脂肪酸氧化

促进腹腔脂肪累积

从而加剧西方饮食下的肥胖发生


Nature metabolism

3、微生物代谢物δ-甜菜碱是一种依赖饮食的肥胖素

微生物影响肥胖又一证据!
中文摘

肥胖和肥胖相关的代谢紊乱与肠道微生物群有关。然而,微生物群落-宿主相互作用影响能量代谢的因果关系仍存在争议。本文中,科研人员发现微生物组衍生的代谢物 δ-甜菜碱 (VB) 是一种依赖饮食的肥胖素,它会随着肥胖表型的出现而增加,并且与人类的内脏脂肪重量正相关。VB 在无菌小鼠及其线粒体中不存在,但当将无菌小鼠有菌环境适应、发展出肠道菌群后,发现在这些有菌小鼠及其线粒体中存在VB。体内体外机制研究表明,VB 由多种细菌产生,并通过降低胞内肉碱和线粒体长链酰基辅酶A水平来抑制线粒体脂肪酸氧化。对无菌小鼠和常规小鼠给药VB,发现VB会增加内脏脂肪质量并加剧西方饮食下的肝脏脂肪变性,但在普通饮食下未观察到这一现象。因此,VB提供了一个分子靶标来了解饮食依赖型肥胖症中的微生物组-宿主的共生关系或共生失调,从而提供了潜在的干预手段。


拓展阅读

微生物组和宿主线粒体之间的关联

最近有证据表明,在代谢健康和疾病中,微生物组和宿主线粒体之间存在双向作用。微生物可能是通过调节机体内的关键营养物质和代谢物水平来影响线粒体功能。微生物代谢物,包括短链脂肪酸以及其他分子如吡咯并喹啉醌、发酵气体可影响线粒体功能。醋酸盐是最丰富的短链脂肪酸,可以被线粒体用作能量来源,而在酵母中,醋酸盐会增加线粒体呼吸,但会降低其功能性并加速衰老。丁酸盐可刺激线粒体生物生成,导致喂养高脂饲料的雄性C57BL/6J小鼠能量消耗增加和体重减轻,而这被认为与抑制组蛋白去乙酰化酶有关。如硫酸吲哚和抗氧化褪黑素相关的吲哚-3-丙酸(IPA)几乎完全来自于细菌,已被证明可以在神经退行性病变和衰老的小鼠模型中重建线粒体呼吸和膜电位(如图所示)。

近期也有研究证明线粒体遗传变异改变了肠道微生物群落的组成,携带 mtDNA 变异的小鼠拟杆菌科的丰度增加,厚壁菌门丰度减少。与微生物群变化相关的疾病与线粒体疾病相关的疾病之间也存在着高度重叠,包括代谢性疾病(如肥胖,NAFLD,高血压)、神经障碍性疾病(帕金森疾病、自闭症、阿尔兹海默症等),以及慢性梗阻性肺病,哮喘,结肠炎等。

参考文献:

[1]Bajpai P,etal. Mitochondrion. 2018;39:20-25.

[2]Yardeni T, et al. Sci Signal. 2019;12(588):eaaw3159.

Microbialmetabolite delta-valerobetaine is a diet-dependent obesogen

一作:Ken H.Liu, Joshua A. Owens, Bejan Saeedi,PI:AndrewS. Neish, Dean P. Jones

发表单位Divisionof Pulmonary, Allergy, Critical Care and Sleep Medicine, Department of Medicine

Abstract

Obesity and obesity-related metabolic disorders are linked to the intestinal microbiome. However, the causality of changes in the microbiome–host interaction affecting energy metabolism remains controversial. Here, we show the microbiome-derived metabolite δ-valerobetaine (VB) is a diet-dependent obesogen that is increased with phenotypic obesity and is correlated with visceral adipose tissue mass in humans. VB is absent in germ-free mice and their mitochondria but present in ex-germ-free conventionalized mice and their mitochondria. Mechanistic studies in vivo and in vitro show VB is producedby diverse bacte- rial species and inhibits mitochondrial fatty acid oxidation through decreasing cellular carnitine and mitochondrial long-chainacyl-coenzyme As. VB administration to germ-free and conventional mice increases visceral fat mass and exacerbates hepatic steatosis with a westerndiet but not control diet. Thus, VB provides a molecular target to understandand potentially manage microbiome–host symbiosis or dysbiosis in diet-dependent obesity. 


原文链接:https://www.nature.com/articles/s42255-021-00502-8






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