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Phenomics|复旦大学生命科学学院鲁伯埙教授、付玉华青年副研究员揭示自噬途径清除脂滴改变肥胖-糖尿病小鼠的代谢表型

已有 2067 次阅读 2023-5-8 23:07 |系统分类:论文交流

近日，《表型组学》（Phenomics）在线发表了复旦大学生命科学学院付玉华青年副研究员和鲁伯埙教授题为“Autophagic Clearance of Lipid Droplets Alters Metabolic Phenotypes in a Genetic Obesity–Diabetes Mouse Model”的研究论文。

该研究通过代谢笼和血糖实验描述了LD·ATTECs（Lipid Droplets·AuTophagy TEthering Compounds）降解脂滴对db/db小鼠的代谢表型的影响，揭示了自噬清除脂滴的新功能，并从表型角度为脂滴生物学和肥胖-糖尿病的发病机制提供了新的见解。

论文DOI链接：

https://doi.org/10.1007/s43657-022-00080-z

论文pdf链接：

https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s43657-022-00080-z.pdf

研究背景

脂滴（Lipid droplets, LD）是细胞中储存中性脂质的细胞器，脂滴可以调节脂质的储存和代谢，保护细胞免受过量游离脂肪酸的脂质毒性作用；其异常积累和许多疾病尤其是代谢疾病相关，如肥胖、糖尿病等。肥胖是世界上最常见的代谢疾病之一，近年来它的发病率迅速上升。肥胖经常伴随一些其它疾病，包括II型糖尿病（T2DM）和高血压等。此前研究表明，T2DM患者中有60-90%是或曾经是肥胖，即肥胖-糖尿病。然而，由于缺乏清除脂滴的生物化学工具，脂滴在这些疾病中的潜在病理作用尚未研究清楚。鲁伯埙教授团队在2021年设计并合成了清除脂滴的小分子化合物，即LD·ATTECs，这种化合物能够将自噬小体与脂滴连接，诱导自噬清除db/db （C57BL/6J Lepr^db/Lepr^db）模型小鼠（一种广泛应用于肥胖-糖尿病的遗传模型）细胞和肝脏中的脂滴，但脂滴清除对代谢表型的影响仍有待阐明。因此，在该研究中，作者探究了脂滴清除对肥胖-糖尿病模型小鼠代谢表型的影响，更深入地阐释了脂滴与代谢表型之间的关系。

研究结果

为探究LD·ATTEC（LD·ATTEC3，C3；LD·ATTEC 4，C4）对db/db小鼠呼吸表型的影响，作者向db/db鼠腹腔注射LD·ATTECs并进行代谢笼实验。结果表明，C3和C4组相比于对照组小鼠耗氧量显著增加（图1a–c），这说明注射化合物后小鼠需要更多的有氧呼吸。此外，注射了化合物C3或C4的小鼠的二氧化碳释放量显著增加（图1e–g），这与氧气消耗增加表明呼吸增强的结果相一致。与对照组相比，注射C3，C4的小鼠换气比值（RER）（二氧化碳释放和氧气消耗的比值，是不同运动强度下使用的脂肪或碳水化合物的比例的指标）也显著升高（图2a–c），表明注射组小鼠利用葡萄糖作为供能物质的比例增加。相关研究表明db/db小鼠的RER水平低于野生型，因此，C3或C4注射使db/db小鼠的RER向野生型方向转变，即C3，C4可能能够挽救疾病小鼠的异常RER水平。总的来说，LD·ATTECs增加了氧气的消耗和二氧化碳的产生，同时也提高了RER。上述结果表明，LD·ATTEC改善了db/db小鼠的呼吸表型。

图1 LD·ATTECs影响db/db小鼠呼吸表

图2 LD·ATTECs影响db/db小鼠呼吸交换率

产热是能量代谢的关键指标之一。代谢笼实验数据表明，注射C3或C4的小鼠整体产热没有显著变化（图3a–c）。但由于体重可能会影响整体产热而不同组的体重不同，作者进一步对体重做标准化，以获得更准确的比较结果。结果显示，C3或C4注射增加了小鼠体重标准化后的产热量（图3e–g）。产热增加代表更高的能量消耗，这与氧气消耗量和二氧化碳释放量升高一致。

图3 LD·ATTECs提高db/db小鼠的产热

之后，为探究LD·ATTECs是否会影响小鼠运动，作者检测小鼠在明暗阶段的水平方向和垂直方向的运动，并进行了定量分析。结果表明，C3注射增强了db/db小鼠暗阶段的水平运动（图4a，b）；此外，注射化合物的小鼠的垂直运动也略有增加（图4d，e）。总结来看，作者观察到注射LD·ATTECs化合物的疾病小鼠的水平和垂直运动的趋势都略有变化（图4b，e），这可能也与注射组小鼠的能量消耗增加有关（图3e–g）。

图4 LD·ATTECs影响db/db小鼠的运动

血糖水平异常是肥胖-糖尿病的主要症状之一，此前，相关研究证明db/db小鼠在葡萄糖耐量试验（GTT）中显示出显著升高的葡萄糖水平。为了评估LD·ATTECs对血糖水平的影响，作者对注射LD·ATTECs化合物14天的小鼠进行了GTT实验。结果表明，与对照组相比，注射C3或C4的小鼠血糖水平降低，且有更强的葡萄糖耐受性（图5a，b），这说明脂滴的减少改善了db/db小鼠的血糖水平。此外，作者在另一品系小鼠中还进行了胰岛素耐受试验（ITT），发现C3或C4注射组小鼠胰岛素敏感性也有所提高（图5c，d）。总而言之，该研究证明LD·ATTEC确实改善了db/db小鼠的葡萄糖稳态水平。

综上，这项研究在db/db小鼠模型中揭示了LD·ATTEC诱导的代谢表型变化。LD·ATTECs清除脂滴可以增强呼吸、产热并影响运动，降低血糖，一定程度挽救了db/db小鼠的代谢异常，证明在表型水平上，通过自噬减少脂滴积累可能是有益的。另外，LD·ATTECs是通过清除脂滴而不是由于毒性作用改变疾病模型小鼠的代谢表型的，因为在野生型小鼠中注射该化合物并不会导致小鼠体重下降（图6）。

图5 LD·ATTECs降低db/db小鼠的血糖水平

图6 LD·ATTECs通过LD降解改变db/db小鼠表型

研究结论

该研究验证了LD·ATTECs对db/db小鼠模型代谢表型的影响，描述了LD·ATTECs在肥胖-糖尿病小鼠模型中改善的代谢表型，如增加氧气摄入和二氧化碳释放，增加热量产生，并在黑暗阶段略微增强运动，降低血糖水平和改善胰岛素敏感性（图7）。总之，该研究从表型角度揭示了脂滴自噬清除在肥胖-糖尿病发病机制中新的功能影响。

图7 自噬清除LDs改变db/db小鼠模型的代谢表型

复旦大学生命科学学院付玉华青年副研究员和鲁伯埙教授为共同通讯作者，2022级博士生陈宁谢为第一作者。该项目获得上海市科委项目(NO.20JC1410900, NO.22S11900100)的资助。

Abstract

Lipid droplets (LDs) are intracellular organelles that store neutral lipids, and their aberrant accumulation is associated with many diseases including metabolic disorders such as obesity and diabetes. Meanwhile, the potential pathological contributions of LDs in these diseases are unclear, likely due to a lack of chemical biology tools to clear LDs. We recently developed LD-clearance small molecule compounds, Lipid Droplets·AuTophagy TEthering Compounds (LD·ATTECs), that are able to induce autophagic clearance of LDs in cells and in the liver of db/db (C57BL/6J Lepr^db/Lepr^db) mouse model, which is a widely used genetic model for obesity–diabetes. Meanwhile, the potential effects on the metabolic phenotype remain to be elucidated. Here, using the metabolic cage assay and the blood glucose assay, we performed phenotypic characterization of the effects of the autophagic degradation of LDs by LD·ATTECs in the db/db mouse model. The study reveals that LD·ATTECs increased the oxygen uptake of mice and the release of carbon dioxide, enhanced the heat production of animals, partially enhanced the exercise during the dark phase, decreased the blood glucose level and improved insulin sensitivity. Collectively, the study characterized the metabolic phenotypes induced by LD·ATTECs in an obesity–diabetes mouse model, revealing novel functional impacts of autophagic clearance of LDs and providing insights into LD biology and obesity–diabetes pathogenesis from the phenotypic perspective.

通讯作者

鲁伯埙

鲁伯埙，现任复旦大学教授、博士生导师。先后获杰青、科学探索奖、谈家桢生命科学创新奖、教育部青年科学奖等奖项。本科毕业于复旦大学，博士毕业于美国宾夕法尼亚大学，其后在国际药企Novartis任博士后。2012年底全职回国在复旦大学开展独立工作，致力于遗传性神经退行性疾病的致病机理和干预策略研究。揭示了疾病的源头机制和随时间加速恶化的机制、发现多个干预药靶、提出并初步实现了自噬小体绑定化合物（ATTEC）这一药物研发新策略。近年来作为通讯作者发表论文30余篇于Nature等期刊，部分成果被领域同行于Nature等期刊十余次撰写专文进行评述推荐。作为最终通讯作者发表的Nature论文入选了Nature期刊评选的年度十大杰出论文（10 Remarkable Papers from 2019）。

付玉华

付玉华，现任复旦大学青年副研究员，硕士生导师。致力于自噬降解技术研发与PolyQ疾病机理研究。以第一/通讯（均含并）作者在Nature Chemical Biology、Cell Research（2篇，2021为封面论文/Sanofi-Cell Research 2021年度杰出论文）和Phenomics等期刊发表文章10余篇，合作专利2项（国内/国际）。主持国家自然科学基金面上项目1项、上海市自然科学&医药创新项目2项，作为骨干参与国家重点研发计划和国家重点集成项目等。获长三角神经科学青年科学家奖。

第一作者

陈宁谢

陈宁谢，上海复旦大学生命科学学院，博士生。2020年本科毕业于武汉大学，同年入复旦大学攻读研究生。曾获评复旦大学硕士生国家奖学金（2021）、复旦大学趣时笃行冠名奖学金（2022）。主要研究方向为自噬小体绑定化合物清除脂滴在疾病中的应用。在Phenomics(第一作者）发表研究论文，以第二作者在Cell Research期刊发表封面&Sanofi-Cell Research 2021年度杰出论文。

Phenomics期刊简介

Phenomics是一本新创的同行评审国际期刊，聚焦表型组学前沿研究，搭建全球表型组学领域专家交流的国际平台，推动该领域相关的理论创新和学科发展。

本期刊拥有强大的国际编委团队，复旦大学金力院士担任主编，美国系统生物学研究所Leroy Hood院士、澳大利亚莫道克大学Jeremy Nicholson院士、德国莱布尼兹环境医学研究所Jean Krutmann院士、复旦大学唐惠儒教授共同担任副主编，复旦大学丁琛教授担任执行主编，另有来自全球多国的三十多位著名科学家共同组成编委团队，以及四十多位青年科学家组成青年编委团队。

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