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Cell Metabolism：扛住年迈肌不可失(上)

已有 562 次阅读 2026-9-12 17:06 |个人分类:代谢精读|系统分类:科研笔记

Cell Metabolism：扛住年迈肌不可失（上）

初稿 | 吴世林

校对 | 陈芳芳胡敏

小编注 | 陈芳芳胡敏吴世林

排版 | 吴世林

编辑 | 孟美瑶

背景介绍

2025年，全球总人口预计将达到82亿，其中65岁及以上人口约占10%。并且这一比例还在持续上升，世界卫生组织预测，到2050年，全球60岁以上人口的比例将几乎翻一倍，达到22%。这种快速的人口结构变化给全球所有国家带来了重大的社会经济挑战。为了应对全球人口老龄化带来的这些挑战，当务之急是深入了解哺乳动物衰老和长寿的系统性调节机制，并将这些知识转化为有效的抗衰老干预措施，从而使我们的晚年生活尽可能健康。近年来，器官间通信在衰老和长寿的系统性调控中的重要性引起了广泛关注。研究者和其他团队此前已经证明，下丘脑是衰老的高级控制中心，能够对抗与年龄相关的病理生理变化，从而促进长寿。哺乳动物的NAD⁺依赖性蛋白去乙酰化酶SIRT1在调节位于下丘脑背内侧核（DMH）和外侧下丘脑核（LH）的特定神经元亚群方面起着关键作用，能够防止骨骼肌结构和功能、身体活动、体温、耗氧量以及睡眠质量这些随年龄增长而出现生理性衰退的现象。另一方面，研究者也发现了脂肪组织通过分泌细胞外烟酰胺磷酸核糖转移酶（eNAMPT）——一种哺乳动物体内与NAD+生物合成相关的关键酶——对下丘脑中的NAD+生物合成进行远程调控。最近，研究者证实了在下丘脑中有一种名为DMHPpp1r17的特异性神经元亚群——该亚群特异性定位于DMH的致密区——通过交感神经刺激调节白色脂肪组织（WAT）的功能，从而控制小鼠的衰老过程并促进其长寿，这种调节机制可以增加循环系统中的eNAMPT水平（小编注：该研究内容是由Kyohei Tokizane等人发表于2024年《Cell Metabolism》上的，主要是在下丘脑的DMH脑区中，识别出一个特异性表达Ppp1r17蛋白的神经元亚群，命名为DMHPpp1r17神经元。这些神经元主要是谷氨酸能的，并投射到与自主神经功能相关的脑区，如下丘脑室旁核（PVN）等。该神经元亚群主要特点如下：①调控WAT功能：DMHPpp1r17神经元通过交感神经系统的刺激，调控白色脂肪组织（WAT）的功能，其中包括促进eNAMPT的分泌；②与年龄相关的功能衰退：在衰老过程中，这些神经元内的Ppp1r17蛋白会发生由蛋白激酶G（PKG）调控的磷酸化，并从细胞核转位到细胞质中。这一过程影响了与突触功能相关的基因表达，导致神经元功能失调，进而使WAT功能受损。）。下丘脑与WAT之间的这种反馈回路，构成了哺乳动物衰老和寿命全身性调节的关键核心机制。

除了脂肪组织外，骨骼肌也被认为是一个重要的内分泌器官，通过分泌许多体液因子来影响代谢和衰老的全身性调节。研究表明，在果蝇中，骨骼肌可通过分泌生长因子和细胞因子，在全身范围内调节与年龄相关的表型，并最终影响寿命。在哺乳动物中，骨骼肌特异性的4E-BP1活性增强，可以通过直接增加过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α)的水平并增强呼吸作用，从而预防由年龄和饮食引起的胰岛素抵抗和代谢功能下降。这些表型，尤其是脂肪组织的表型，似乎是由一种肌源性细胞因子——FGF21介导的（小编注：最早，FGF21被认为是主要表达于肝脏和胸腺中的，后来，有研究者发现，在脂肪细胞3T3-L1中，FGF21能够以一种不依赖胰岛素的方式，显著促进脂肪细胞对葡萄糖的摄取。这个发现首次将该因子与代谢调控联系起来。而后，进一步的研究发现，在ob/ob和db/db小鼠中，注射FGF21能显著降低血糖和甘油三酯水平，同时还能防止体重增加。而过表达FGF21的转基因小鼠即使食量翻倍，依然保持消瘦，并能抵抗高脂饮食诱导的肥胖。在FGF21发挥作用的过程中，FGF21需要与细胞表面的FGF受体（FGFR）和共受体β-Klotho同时结合，形成三元复合物后，启动细胞内一系列的信号级联反应。这包括激活MAPK/ERK、PI3K-Akt等关键信号通路，最终会促使细胞做出响应，例如，在脂肪细胞中会诱导GLUT1葡萄糖转运蛋白的表达，从而促进葡萄糖的摄取。其中，β-Klotho在脂肪、肝脏等组织中的限制性表达，赋予了FGF21作用的组织特异性。随着研究的深入，FGF21的来源也被扩展。尽管肝脏是其主要来源，但后续研究发现，在线粒体功能障碍、运动或某些病理条件下，骨骼肌也会大量表达和分泌FGF21。这使得FGF21也被认定为一种调节肌肉与脂肪等器官通讯的肌因子。总的来说，FGF21主要有以下功能：①促进脂质分解与氧化：FGF21能显著促进脂肪细胞的脂解作用，并增强脂肪酸的氧化，从而有效降低循环中的甘油三酯水平；②增强胰岛素敏感性与葡萄糖摄取：FGF21能刺激脂肪细胞分泌脂联素，这是一种关键的胰岛素增敏脂肪因子。同时，它还能上调葡萄糖转运体（如GLUT1）的表达，直接增强脂肪组织对葡萄糖的摄取，改善整体胰岛素抵抗；③驱动褐变与产热：FGF21能诱导白色脂肪组织（WAT）发生褐变，使其获得类似棕色脂肪的产热特性，并通过上调UCP1的表达来增加能量消耗；④抗炎与减少有害脂质：在肥胖状态下，FGF21能减少内脏脂肪组织（VAT）中促炎性免疫细胞的浸润，并显著降低神经酰胺等有害脂质的积累，这些脂质与胰岛素抵抗和心血管疾病密切相关。参考文献：A. Kharitonenkov, et al. 2017. J Intern Med; Hui Sun, et al. 2021. Front Physiol.）。

据报道，该因子的过表达也能延长小鼠的寿命。最近有研究称，在骨骼肌中特异性过表达转录因子E-B（TFEB），可改善衰老中枢神经系统的蛋白毒性、减少神经炎症，并增强其转录重塑，从而保护老年小鼠的认知和记忆功能（小编注：该研究内容来自于2023年，发表在Cell Reports期刊上的一篇文章，该研究的核心发现是，通过过表达TFEB增强肌肉功能，可以激活一种被称为“肌肉-大脑轴”的器官间通讯通路。肌肉通过分泌具有神经保护作用的“肌因子”（如PSAP）来直接调节中枢神经系统的健康和疾病状态。在此文中，对老年小鼠的肌肉特异性过表达TFEB可显著改善蛋白毒性、减少神经炎症，并促进衰老中枢神经系统的转录重塑，从而保护认知和记忆功能。这种肌肉TFEB过表达被证实能模拟运动的多种神经保护益处。其保护作用的发挥独立于增加成年海马神经发生（AHN），表明它是通过其他途径（如改善神经可塑性）来起效。并且，还可以减少病理蛋白并增强突触功能，在阿尔茨海默病（5xFAD）小鼠模型中，肌肉TFEB过表达能减少大脑皮层和海马中的Aβ斑块沉积，并通过增强神经营养信号和突触完整性来挽救神经认知缺陷。这种作用部分由新发现的肌因子——前体蛋白PSAP所介导。参考文献：Ian Matthews，et al. 2023. Cell Reports）。有趣的是，在骨骼肌中特异性过表达TFEB会增加成熟组织蛋白酶B（一种靶向中枢神经系统的半胱氨酸蛋白酶）的表达和分泌。这些发现有力地表明，骨骼肌在分泌多种用于系统性调节衰老和长寿的体液因子方面发挥着新的作用。然而，这种能够影响哺乳动物衰老和寿命的分泌因子仍有待鉴定。

研究者假设，在下丘脑和骨骼肌之间存在另一套器官间交流网络，该网络通过分泌一种特异性的、源自骨骼肌的体液因子，来系统性调节哺乳动物的衰老和寿命。为了验证这一假设，研究者对年轻和老年小鼠的三种不同骨骼肌进行了无偏向性的RNA测序（RNA-seq）对比，并成功鉴定出了一种名为Mimecan的候选分泌因子。骨骼肌中Mimecan的表达受到交感神经张力的调节，且循环中的Mimecan水平在衰老过程中显著下降。有趣的是，研究者发现，源自骨骼肌的Mimecan可通过激活下丘脑DMH后部和下丘脑背侧区（DHA）的黑素皮质素4受体（MC4R）阳性神经元，从而通过棕色脂肪组织调节昼夜核心体温（BT）节律。在MC4R阳性的DMH/DHA神经元中，Mimecan调节初级纤毛的长度。值得注意的是，将老年小鼠血液循环中的Mimecan恢复到年轻水平时，老年小鼠受损的昼夜体温调节功能得以恢复，寿命也随之延长。这些研究结果揭示了下丘脑与骨骼肌之间另一种关键的器官间通信机制，为理解哺乳动物衰老和寿命调控的多层次系统性调控机制提供了重要见解。

敲黑板啦！

1.肌肉来源的Mimecan通过棕色脂肪组织调节核心体温

2.Mimecan通过维持初级纤毛激活DMH/DHA中的MC4R阳性神经元

3.恢复血浆Mimecan水平可对抗衰老并延长老年小鼠的寿命

4.自主运动通过维持Mimecan改善核心体温调节

研究结果

1、Mimecan是骨骼肌分泌因子，其表达受交感神经张力调控，并随衰老减少

研究者推测，可能存在一种由骨骼肌分泌的体液因子，该因子构成了下丘脑与骨骼肌之间反馈回路的“外周到中枢”路径。为了验证这一假设，研究者通过对年轻（4-6月龄）和年老（24月龄）雌性小鼠的胫骨前肌（TA）、趾长伸肌（EDL）和比目鱼肌（Soleus）进行无偏向性RNA-seq对比，以寻找在老年骨骼肌中表达下调的候选分泌因子（图1A）。通过这些RNA-seq分析，研究者发现TA和EDL中，分别有41个和38个编码带有信号肽蛋白质的差异表达基因（DEGs），而比目鱼肌中没有发现这样的DEGs，这表明快缩型和慢缩型骨骼肌在与年龄相关的特征上存在显著差异（图1B和1C）。TA和EDL共有14个DEGs，其中包括7个胶原蛋白相关基因。研究者排除了这些胶原蛋白相关基因以及另外4个未能通过qRT-PCR验证的基因（图1C和S1A）。为了进一步缩小候选基因的范围，研究者决定在脑特异性过表达SIRT1（BRASTO）小鼠中检测剩余的基因。研究者此前已经证明，与同龄对照组小鼠相比，老年BRASTO小鼠的骨骼肌在神经肌肉接头（neuromuscular junctions ，NMJs）处表现出更强的交感神经支配，以及线粒体形态和功能都更为年轻。因此，如果这些候选基因受到交感神经张力的调节，那么预计它们在老年BRASTO小鼠的骨骼肌中会有更高的表达水平。有趣的是，与同龄对照组小鼠相比，只有Mimecan这一个基因在老年BRASTO小鼠的TA中表达上调（图1C和S1B）。

事实上，正如先前报道的那样，研究者证实了NMJs处的交感神经信号（即酪氨酸羟化酶[TH]信号）在老年骨骼肌中显著减少了约50%（图1D）（小编注：BTX是指α-银环蛇毒素，这是一种高亲和力、不可逆地结合烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR）的毒素。在神经肌肉接头（NMJs）染色中，BTX被用作突触后膜（运动终板）的特异性标志物，因为它能特异性结合肌肉细胞膜上聚集的乙酰胆碱受体。在本文中，作者采用BTX来标记神经肌肉接头的位置，同时用TH标记交感神经纤维。通过观察二者的交叠程度，可以评估交感神经在神经肌肉接头处的支配情况，BTX与TH信号的重叠越多，说明交感神经支配越强）。一致的是，研究者还发现与年轻TA相比，老年小鼠TA中的β2肾上腺素受体（β2 adrenergic receptor, Adrb2）和Mimecan蛋白水平显著降低（图1E）。重要的是，血浆Mimecan水平在衰老过程中呈现逐渐下降的趋势，而老年BRASTO小鼠的血浆Mimecan水平却显著提高（图1F和S1C）。此外，6-羟基多巴胺（6-hydroxydopamine, 6-OHDA）——一种破坏NMJs处交感神经支配的神经毒素（图S1D）显著降低了TA中Adrb2和Mimecan的蛋白水平（图1G）。另一方面，腹腔注射去甲肾上腺素增加了EDL和TA中的Adrb2和Mimecan mRNA水平（图S1E）。

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神经肌肉接头

神经肌肉接头是运动神经元轴突末梢与骨骼肌纤维之间形成的突触结构，是神经系统控制肌肉收缩的关键界面。除了经典的运动控制功能，交感神经纤维也会在NMJ附近支配骨骼肌，调节其代谢状态。当α运动神经元的轴突进入肌肉并接近目标肌纤维时，会分支，从而支配许多单个肌纤维。每个分支都会脱去髓鞘，并进一步分支为许多突触前小泡，这些小泡中含有装载有乙酰胆碱（ACh）的突触小泡，并在神经肌肉接头（NMJ）处与肌纤维表面相对。突触小体与肌肉表面之间由突触间隙隔开，该间隙中含有乙酰胆碱酯酶（AChE）以及参与稳定神经肌肉接头结构的蛋白质和蛋白聚糖。神经肌肉接头的突触后膜具有特征性的深褶皱，乙酰胆碱受体（AChR）在褶皱顶部密集分布。当神经动作电位到达突触小体时，乙酰胆碱被释放到突触间隙中，并在此扩散至乙酰胆碱受体并与之结合。

文中出现的几个标志物各有其功能：BTX（α-银环蛇毒素，α-bungarotoxin）是一种能不可逆结合乙酰胆碱受体（nAChR）的蛇毒衍生物。在实验中，它被用作NMJ突触后膜的特异性标记物，借助荧光标记来可视化NMJ的位置。TH（酪氨酸羟化酶，Tyrosine Hydroxylase）是儿茶酚胺合成通路中的限速酶，负责将酪氨酸转化为多巴（多巴胺的前体），是合成去甲肾上腺素的第一步。由于去甲肾上腺素是交感神经末梢释放的主要神经递质，TH几乎专一性地表达在儿茶酚胺能神经元中，因此NMJ处的TH信号强度可以直接反映交感神经支配密度。本文用它来定量评估衰老或去神经模型中NMJ区域交感神经张力的变化。Adrb2（β2肾上腺素受体）表达于骨骼肌细胞表面，是感知并响应交感神经信号（去甲肾上腺素/肾上腺素）的受体。Adrb2激活后，通过cAMP-PKA信号级联，上调肌肉代谢，包括糖原分解和脂肪酸氧化。本文中Adrb2的表达水平被用作骨骼肌感知交感神经张力的功能性分子读出——Adrb2随衰老与TH信号同步下降，验证了交感-Adrb2-Mimecan这一信号轴的存在。交感神经张力（Sympathetic nervous tone）指的是交感神经系统对外周靶器官持续施加的基础激活水平。在骨骼肌中，交感张力通过NMJ处的去甲肾上腺素释放维持Adrb2信号活性，进而调控包括Mimecan在内的肌因子的分泌。本文核心发现之一就是：骨骼肌Mimecan的表达直接受交感神经张力调控（6-OHDA去神经后显著下降，注射去甲肾上腺素后升高），且这一调控轴随衰老而逐渐减弱。

参考文献： [1] Conti-Fine BM,et al. J Clin Invest.

综上所述，这些结果表明骨骼肌中Mimecan的表达受到交感神经张力的调节，其蛋白水平在骨骼肌和血液循环中随着衰老而显著下降，使该蛋白成为介导下丘脑-骨骼肌反馈回路的强有力候选者。值得注意的是，Mimecan基因最初被命名为KSPG25，研究发现一种比Mimecan小得多的蛋白质骨诱导因子（osteoglycin，Ogn），极有可能是通过Mimecan基因的差异剪接和可变聚腺苷酸化产生的。因此，研究者决定采用Mimecan作为该基因及其蛋白质产物的名称（小编注：Mimecan和OGN（osteoglycin）来自同一基因，但是两个不同的蛋白质产物。Mimecan基因通过差异剪接和可变聚腺苷酸化，可以产生至少两种蛋白产物：Mimecan（又名角膜角质素硫酸蛋白25，KSPG25）：分子量约为35 kDa（核心蛋白约25 kDa），主要在角膜和骨骼肌中高表达，含有角质素硫酸糖胺聚糖侧链，属于小富亮氨酸蛋白聚糖（SLRP）家族。OGN（Osteoglycin/骨诱导因子）：分子量更小，约12 kDa，来自同一基因的不同剪接产物，主要在骨和心脏中研究较多，此前报道与左心室质量调控和心衰相关。本文选择采用"Mimecan"这一命名，正是为了与已有研究中的OGN区别开来，强调这一来自骨骼肌的较大分子形式的独特功能。并且从实验技术上看，他们使用的ELISA试剂盒（R&D Systems DY2949）和Western blot抗体（AF2949）均针对Mimecan蛋白，而不是OGN。）。

图1 | Mimecan的表达受交感神经张力的调控，并在衰老过程中在骨骼肌和血浆中减少

图S1 | 鉴定 Mimecan作为候选肌因子（Myokine）

2、骨骼肌特异性诱导型Mimecan敲除小鼠表现出棕色脂肪组织功能和核心体温调节受损，重现了在衰老小鼠中观察到的表型

为了研究骨骼肌来源Mimecan的生理功能，研究者决定构建骨骼肌特异性他莫昔芬诱导型Mimecan敲除小鼠（SM-Mim-KO小鼠，图2A）。经过5天的他莫昔芬处理后，SM-Mim-KO小鼠骨骼肌中的Mimecan蛋白表达显著降低了80%，血浆中降低了44%，这表明骨骼肌是Mimecan的主要来源（图2B、S2A和S2B）。一致的是，研究者通过对TA的离体（ex vivo）培养实验证实，与WAT和肾上腺的离体培养相比，SM-Mim-KO小鼠骨骼肌的Mimecan分泌特异性减少了96%（图S2C）。SM-Mim-KO小鼠的体重和脂肪量轻微但显著增加，而摄食量未检测到显著差异（图2C-2D和S2D）。有趣的是，SM-Mim-KO小鼠在昼夜体温调节方面表现出严重受损，尤其是在黑暗阶段的早期（Zeitgeber time，ZT 12-ZT 18，图2E）。事实上，与对照组小鼠相比，SM-Mim-KO小鼠的最大体温、24小时内最高和最低体温之间的差值，以及ZT 11至ZT 13之间体温升高的斜率均显著降低（图2F-2H）（小编注：小鼠是夜行性动物，ZT12（Zeitgeber Time 12）是灯灭时刻，也就是黑暗期（活跃期）的开始。小鼠在这个时间点前后会迅速提升自身体温，以准备进入高活动状态。ZT11–ZT13这段时间窗口具有几个特殊意义：从生理上讲，这是小鼠核心体温从昼间低谷快速攀升至夜间峰值的最陡升温窗口，是昼夜体温节律中动态变化最剧烈的阶段，信噪比最高，对检测体温调节能力受损最为敏感。从热产生机制上讲，这一时段BAT激活是体温快速升高的主要驱动力。交感神经在ZT12前后大量释放去甲肾上腺素，激活BAT中的Adrb3，驱动UCP1解偶联产热。这也是为什么SM-Mim-KO小鼠的BAT功能受损，最终体现在这个时间窗的斜率降低。因此，ZT11–ZT13的升温斜率（°C/min）实际上是衡量BAT急性产热响应能力的一个精准定量指标，比看静态体温峰值更能反映体温调节系统的动态驱动能力）。与这些体温受损情况一致的是，SM-Mim-KO小鼠与对照组小鼠相比，其肩胛间BAT（iBAT）表现出脂肪堆积、交感神经支配减少，以及β3肾上腺素受体（Adrb3）、葡萄糖转运蛋白4（Glut4）和包括解偶联蛋白1（Ucp1）在内的几种产热基因的下调（图2I-2K）。此外，从SM-Mim-KO小鼠中分离出的iBAT在氧化磷酸化通路和最大刺激下也表现出线粒体功能受损（图2L）（小编注：文中对iBAT线粒体进行了高分辨率呼吸测量（OROBOROS Oxygraph-2K），依次添加：Pyruvate（丙酮酸）+ Glutamate（谷氨酸）+ Malate（苹果酸）：激活复合体I（NADH脱氢酶）驱动的有氧代谢，提供NADH底物。这测量的是基础状态下的底物氧化偶联呼吸。ADP：ADP的加入解除了氧化磷酸化的底物限制，此时线粒体以最大的偶联速率将底物氧化释放的能量转化为ATP。这一步测量的是最大偶联呼吸（State 3呼吸），反映ATP合成能力。Succinate（琥珀酸）：激活复合体II（琥珀酸脱氢酶），叠加复合体I的呼吸，进一步增加电子供应，反映复合体I+II协同驱动时的最大电子传递链通量。FCCP（羰基氰化物对三氟甲氧基苯腙）：是一种质子载体，通过使线粒体内膜质子梯度"短路"，使呼吸链和ATP合成完全解偶联，线粒体以最大速率消耗氧气。此时测量的是最大解偶联呼吸容量，代表电子传递链的绝对上限。为什么没有用常规seahorse实验中的Oligomycin？Oligomycin抑制ATP合酶，用于区分偶联呼吸（用于合成ATP）和漏呼吸（质子泄漏）。然而，BAT细胞高表达UCP1，UCP1本身就是一个生理性、受调控的质子通道，其功能正是"主动制造质子漏"来产热（解偶联产热），这并非功能异常。Oligomycin处理后BAT线粒体的呼吸变化会与UCP1介导的固有质子漏严重混叠。所以作者跳过了这一步，直接关注底物驱动的偶联呼吸和FCCP驱动的最大容量，这对评估BAT产热能力更为直接和合理）。SM-Mim-KO小鼠的糖耐量和能量消耗也受到中度损害（图S2E和S2F）。有趣的是，虽然雄性和雌性SM-Mim-KO小鼠在体温调节方面有着相似的表型，但雌性SM-Mim-KO小鼠表现出的表型比雄性更显著（图S2G-S2I）。因此，研究者主要使用雌性SM-Mim-KO小鼠进行进一步的分析。研究者还发现，这种体温调节障碍即使在热中性条件（30°C）下仍然存在（图S2J），这表明这是BAT功能中固有的缺陷。此外，利用CRISPR-Cas9技术构建的全身Mimecan敲除小鼠也表现出与SM-Mim-KO小鼠非常相似的表型（数据未显示），这表明Mimecan的一项主要功能是通过骨骼肌维持BAT的产热功能。由于SM-Mim-KO小鼠的这些表型都是在10月龄左右观察到的，研究者尝试证实BAT在该年龄段对核心体温调节的贡献。为此，研究者对3月龄和10月龄的雌性小鼠进行了左右两侧iBAT支配神经的外科去神经术（图S2K-S2N）。有趣的是，3月龄的的小鼠没有表现出受损，而10月龄的的小鼠在iBAT经外科去神经化处理后，表现出核心体温调节功能显著受损，这表明随着小鼠年龄增长，BAT对核心体温调节的贡献变得至关重要。

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多才多艺的BAT

在常规饲养温度（22°C）下，啮齿类动物需要持续产热以维持体温，BAT是重要的产热器官。然而，SM-Mim-KO小鼠在30°C下仍然表现出体温调节障碍（图S2J），这说明BAT在热中性条件下仍有重要功能：越来越多的证据表明，即使在热中性条件下，棕色脂肪组织（BAT）也会通过下丘脑的交感神经输出参与昼夜节律性体温调节。在昼夜节律性体温调节中，小鼠的热中性温度也具有昼夜节律，因此维持夜间体温峰值仍然需要BAT的主动参与，这是一种由中枢神经系统（此处即下丘脑-交感轴）主动驱动的节律性产热程序。此外，BAT还参与膳食诱导产热（diet-induced thermogenesis），帮助处理多余能量摄入，即使在温暖环境中此功能也是活跃的。因此，SM-Mim-KO在热中性条件下仍有体温缺陷，说明Mimecan维持BAT功能的意义不仅在于寒冷防御，更在于支撑中枢驱动的昼夜节律性产热程序，这一点使作者得出结论：这是BAT功能的"固有缺陷"，而非对寒冷应激的适应不良。

参考文献： [1] Carpentier AC,et al.Endocr Rev. [2] Jan Nedergaard, et al.Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci.

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体温调节的协同机制

年轻小鼠体温调节是多机制协同的，BAT并非唯一的产热途径：骨骼肌颤抖产热：在急性寒冷或应激下，年轻动物可以通过快速肌肉颤抖产生大量热量，这不依赖BAT，且年轻肌肉的颤抖效率远高于老龄肌肉。骨骼肌非颤抖产热：通过肌质网肌浆钙泵（SERCA）和解偶联蛋白相关机制，骨骼肌本身也可以产热，年轻时这一能力较强。皮肤血管收缩：通过减少散热来维持体温，这在年轻个体中效率更高。WAT的适应性重塑：年轻动物的皮下WAT中米色脂肪细胞含量更高，在需要时可被激活产热。随着衰老，上述各种代偿机制均逐渐减退——肌肉质量下降、颤抖效率降低、WAT棕色化能力减弱——导致个体对BAT功能的依赖程度逐渐增高。这正是文章中10月龄（而非3月龄）小鼠在iBAT去神经后才出现体温缺陷的生理基础，也说Mimecan对BAT的维持作用，在机体其他产热代偿机制尚充足时显得不那么关键，而随年龄增长这一功能的不可替代性才逐渐凸显出来。研究者决定进一步追踪衰老对核心体温调节和BAT功能的影响。在正常的衰老过程中，研究者发现老年小鼠的最高体温、最高体温与最低体温之间的差值以及体温上升的斜率均出现异常（图2M-2Q）。此外，与3月龄的野生型小鼠相比，21月龄野生型小鼠的iBAT表现出明显的脂肪堆积，且Adrb3和其他产热基因的mRNA表达水平均有所下降（图2R和2S）。从老年小鼠中分离出的iBAT在氧化磷酸化途径和最大刺激下同样表现出线粒体功能受损（图2T）。这些发现有力地表明，SM-Mim-KO小鼠能够重现老年小鼠中观察到的表型。鉴于血浆中Mimecan水平会随年龄增长而降低，研究者推测骨骼肌来源的Mimecan在调节BAT功能以及在衰老过程中维持强健的昼夜体温调节方面发挥着关键作用。拓展阅读体温的昼夜节律机制体温昼夜节律是哺乳动物昼夜节律系统最稳定且最突出的输出之一，其核心调控中枢位于下丘脑的视交叉上核（SCN）。SCN内约20,000个啮齿类神经元各自具备细胞自主的昼夜节律振荡能力，其分子基础是转录-翻译反馈环路（TTFL）：CLOCK和BMAL1形成异二聚体，激活Period和Cryptochrome基因的转录，随后PER和CRY蛋白积累并反馈抑制CLOCK-BMAL1的活性，形成约24小时的周期性振荡，该核心振荡器进一步通过REV-ERB和ROR等核受体调控下游钟控基因的表达。

SCN通过整合光信号与内源性分子振荡，经由自主神经、内分泌和行为等多重途径驱动核心体温产生约1.5°C的日间波动，其中SCN对棕色脂肪组织（BAT）的交感神经支配是产热节律的主要执行通路——SCN经多突触自主神经通路传递节律信号至BAT，驱动解偶联蛋白1（UCP1）的节律性表达从而产生每日产热振荡，且该节律由SCN独立于脂肪细胞自身生物钟所驱动，即使在脂肪细胞本地时钟被破坏后仍持续存在。与此同时，SCN还通过Bmal1-Rbm3分子通路感知温度变化并将其整合入节律调控——温度变化诱导SCN中冷应激蛋白Rbm3的转录并调节其昼夜周期，而这一冷诱导转录完全依赖于Bmal1的完整功能，使Bmal1成为昼夜节律功能与温度感知之间的核心分子整合器。体温节律已被证明可以夹带外周时钟，依赖于热休克因子1（HSF1）来实现。HSF1作为昼夜节律转录因子，可以与CLOCK - BMAL1形成复合物，占据Per2基因启动子上的热休克元件，从而实现对哺乳动物生物钟基因的温度控制转录和表观遗传调控。

参考文献： [1] Liu XL, et al. Trends Cell Biol. [2] Zeng Y , et al. PLoS Biol

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肥胖与衰老下的体温昼夜节律变化

肥胖状态下体温昼夜节律的系统性紊乱表现为体温日间波动幅度降低、节律相位偏移以及产热对营养和温度应激的适应性反应受损，其分子机制涉及SCN-BAT神经回路的功能失调和BAT内关键信号通路的异常改变。

在完整生理条件下，SCN通过抑制BAT中ADRB3-S100B信号模块来限制产热输出，使其与全身能量可利用性相匹配；然而在肥胖及相关代谢紊乱中，SCN输出的节律性抑制功能被削弱，导致BAT中S100B（一种营养敏感型钙结合蛋白）的表达上调，进而通过刺激棕色脂肪细胞增殖和抑制细胞衰老来维持升高的产热活性状态。这种产热输出的“去抑制”看似增加能量消耗，实则伴随脂解功能的显著受损，使BAT的燃料偏好从脂肪酸氧化转向葡萄糖驱动的产热，造成底物利用与全身营养状态之间的时序脱节。更重要的是，营养过剩状态可通过循环代谢信号（如游离脂肪酸、炎症因子和激素变化）反馈至SCN，重塑SCN内及关联脑区的代谢物节律，进一步削弱SCN输出信号的振幅和耦合强度。这一双向失调的后果是产热节律与进食-禁食周期、活动-静息周期之间的相位关系被破坏：在应该进行能量储存和恢复的静息阶段出现过度的产热激活，而在需要高效动员底物支持活动的活跃阶段反而产热反应不足，导致能量消耗与营养摄入、底物储存之间的时序混乱。这种“时序错配”而非单纯的产热总量变化，是肥胖状态下SCN-BAT通路功能失调损害代谢灵活性的核心机制，也是解释昼夜节律紊乱如何促进肥胖及其并发症（胰岛素抵抗、代谢相关脂肪性肝病）持续进展的关键病理生理环节。衰老过程中体温昼夜节律呈现幅度进行性衰减、日间波动扁平化以及对外部授时信号响应能力下降的特征，其分子基础涉及SCN内部核心时钟基因表达节律的减弱、神经元耦合强度下降以及温度感知整合通路的功能衰退。在分子层面，老龄个体SCN中核心时钟基因（如Bmal1、Per、Cry）的转录-翻译反馈环路振幅显著降低，节律基因表达谱趋于平坦化，同时VIP信号及其受体VPAC2介导的神经元间同步化机制受损，导致原本高度耦合的SCN神经元群体逐步丧失其作为“稳健集合振荡器”的整体输出能力，SCN输出的节律信号在周期稳定性、振幅和相位锁定精度方面均出现显著退化。更关键的是，衰老对Bmal1-Rbm3温度感知通路的功能造成双重打击：一方面Bmal1表达水平的年龄依赖性下降直接削弱了SCN感知温度变化并据此调整下游输出的分子能力，另一方面Rbm3本身的冷诱导表达在衰老SCN中显著受损，使SCN神经网络对温度变化的恢复力下降。在效应器层面，SCN对BAT的交感神经支配随龄减弱，BAT中UCP1的表达节律幅度降低且相位发生漂移，加之BAT本身的质量和产热能力随龄下降，共同导致核心体温日间波动的扁平化和产热对冷暴露及进食信号的响应迟钝。这一多层次退化的最终后果是，老年个体在面临环境温度波动或代谢挑战（如进食时间改变、热量限制）时，无法通过灵活调整产热输出来维持体温稳态和能量平衡，体温节律作为系统性授时因子的功能也随之受损，进一步恶化了外周组织时钟的同步化状态，形成“SCN输出减弱→体温节律扁平化→外周时钟同步化下降→代谢反馈紊乱→SCN功能进一步退化”的恶性循环。

[1] Ohara T, et al . Sci Rep. [2] Lu L, et al. Front Syst Biol .

图3 | 骨骼肌特异性Mimecan过表达可改善老年雌性小鼠的昼夜核心体温调节，并能对抗棕色脂肪组织中与年龄相关的功能衰退

图S3 | 骨骼肌特异性Mimecan过表达小鼠（SM-Mim-OE）的补充分析

3、骨骼肌特异性过表达Mimecan可使老年小鼠棕色脂肪组织功能恢复至年轻状态

为了验证上述假设，研究者接下来考察了将老年小鼠血浆中Mimecan水平恢复至年轻状态，是否能够逆转其体温调节功能及BAT功能的受损。研究者将携带Mimecan cDNA的AAV9注射到19月龄小鼠的双侧TA肌肉中（图3A）。随后观察到TA肌肉中的Mimecan mRNA水平增加了10倍以上，血浆Mimecan水平恢复到与3月龄小鼠相当的水平，而同龄对照组小鼠未观察到明显增加（图1E，图3B和3C）。与同龄对照组小鼠相比，这些骨骼肌特异性过表达Mimecan（SM-Mim-OE）衰老小鼠的体重出现轻微但显著下降，但摄食量没有差异（图3D和S3A）。尽管有报道称Mimecan与心力衰竭有关，但在SM-Mim-OE小鼠的心脏中，研究者并没有检测到任何形态异常或重量的变化（图S3B）。令人震惊的是，与同龄对照组小鼠相比，老年SM-Mim-OE小鼠能够恢复强有力的昼夜体温节律，其最高体温、最高与最低体温的差值以及体温上升的斜率均有显著改善（图3E-3H）。此外，与同龄对照组小鼠相比，老年SM-Mim-OE小鼠的iBAT中脂肪堆积较少、交感神经支配增强，且Adrb3、Glut4和其他产热基因的mRNA表达水平升高（图3I-3K）。从老年SM-Mim-OE小鼠中分离出的iBAT在氧化磷酸化途径和最大刺激条件下也表现出线粒体功能显著改善（图3L），并伴随糖耐量和能量消耗的适度改善（图3M和S3C）。研究者还证实，即使在热中性条件下，老年SM-Mim-OE小鼠体温调节能力也有明显改善（图S3D）。重要的是，在手术切除支配iBAT的神经后，SM-Mim-OE小鼠在核心体温调节方面不再表现出显著改善（图S3E-S3G），这表明在SM-Mim-OE小鼠中观察到的核心体温调节的有益效果完全取决于BAT功能。

研究者通过向20月龄的小鼠注射重组Mimecan蛋白并检测BAT功能，进一步证实了老年小鼠中Mimecan增加所产生的全身性效应。向健康的20月龄野生型小鼠的腹腔注射磷酸盐缓冲盐水（PBS）或重组Mimecan蛋白（3μg溶于200μL PBS）。给药2小时后，接受重组Mimecan治疗的老年小鼠的直肠体温显著升高（图S3H）。此外，给药7天后，接受重组Mimecan治疗的老年小鼠体重显著减轻（图S3I），且iBAT中的Adrb3、Ucp1和Glut4的表达水平均有所提高（图S3J）。给药4小时后，重组Mimecan处理的老年小鼠糖耐量也得到改善，同时胰岛素水平显著降低（图S3K和S3L）。这些结果为研究者的观点提供了强有力的支持，即骨骼肌来源的Mimecan对于在衰老过程中维持强健的昼夜体温节律至关重要。