张静静

1. 文章来源介绍

Keren I. Hilgendorf等于2019年11月在Cell杂志上发表了题为“Omega-3Fatty Acids Activate Ciliary FFAR4 to Control Adipogenesis”的文章。作者通过体外和体内实验，证明了ω-3脂肪酸与纤毛受体蛋白FFAR4结合，提高第二信使cAMP的水平，cAMP直接激活交换因子（EPAC），进而通过CTCF激活脂肪合成基因Adipoq、Cebpα和Fabp4的表达，从而促进前脂肪细胞向脂肪细胞的分化。

2. 研究背景及科学问题

白色脂肪组织（WAT）是储存和维持能量稳态的重要器官。WAT可以通过再生、扩张和收缩来应对组织损伤或营养变化(Sakaguchi et al.， 2017)。具体地说WAT可以通过产生更多脂肪细胞（增生）和在现有脂肪细胞中储存更多脂肪（肥大）来扩张 (Haczeyni et al.，2018)。WAT的过度增大导致胰岛素抵抗和代谢功能障碍，且与组织缺氧、纤维化和炎症增加相关。已有报道表明前脂肪细胞的脂肪生成潜能影响WAT的增生和肥大之间的平衡。而脂肪生成是由胰岛素和环腺苷酸（cAMP）等信号联合调控的。但是除此之外，促进体内脂肪生成的生理因素尚不清楚。因此研究WAT扩张平衡向增生转变的因素可能为限制肥胖的后果提供一种新的治疗策略。

成体间充质干细胞，包括脂肪前体细胞，具有一种称为原纤毛的细胞感觉器官。人间充质干细胞原纤毛功能障碍会引起遗传疾病纤毛病，其特征包括组织退化和代谢功能紊乱，如肥胖和糖尿病。因此，作者推测前脂肪细胞可能利用它们的纤毛来感知和响应外部信号来重塑白色脂肪组织。为了验证这个假设，作者利用细胞核小鼠模型进行一系列的体外和体内实验，最终证明了前脂肪细胞纤毛通过FFAR4选择性地感受ω-3脂肪酸，从而诱导脂肪生成。

3. 重点技术方法

作者使用3T3-L1脂肪细胞、小鼠脂肪原代细胞和小鼠模型，通过荧光蛋白标记示踪前脂肪细胞原纤毛，利用RNA干扰/抑制剂或过表达技术，并结合BODIPY、油红O等脂肪染色手段观察前脂肪细胞原纤毛变化与脂肪生成之间的关系。

4. 重要发现

1）在体内和体外前脂肪细胞的纤毛调控WAT的扩张

以前的研究表明，人与鼠前脂肪细胞在静止状态下会在体外形成纤毛。为了证实纤毛与脂肪形成的关系，作者观察了3T3-L1脂肪细胞、人和鼠的原代前脂肪细胞，发现细胞中没有脂质时具有典型的纤毛，而在分化过程中纤毛丢失，即富含脂质的细胞没有纤毛。在小鼠WAT中用荧光标记的CENTRIN2和ARL13B展示前脂肪细胞的纤毛，纤毛化的前脂肪细胞沿血管束排列，而成熟的脂肪细胞没有纤毛。这些结果表明纤毛在未分化和正在分化的前脂肪细胞中具有特殊的功能。

然后作者比较了对照和无纤毛小鼠的体重、WAT、脂肪细胞等表型，发现无纤毛小鼠的体重和WAT显著减少、脂肪细胞明显减小，食物摄入、能量消耗或活动、褐色脂肪组织（BAT）没有差异。但是无纤毛小鼠并未表现脂肪营养不良的症状。因此，前脂肪细胞的原纤毛促进脂肪生成，对WAT的扩张有重要作用。

2）TULP3介导的FFAR4纤毛定位是脂肪形成的关键

为了检测纤毛是如何促进脂肪生成的，作者使用CRISPR-Cas9技术构建纤毛受体转运蛋白TULP3缺陷的3T3-L1细胞，在特定条件下（0.5或0.25×DM），降低了3T3-L1细胞的脂肪生成；人Tulp3的表达能够挽救TULP3缺失的效应。相反地，野生型3T3-L1细胞中过表达TULP3增加了脂肪生成和纤毛受体的迁移。

那么哪些GPCRs在前脂肪细胞的纤毛中发挥作用？作者利用绿色荧光融合蛋白表达技术，发现游离脂肪酸受体FFAR4/GPR120具有明显的纤毛特征：内源性FFAR4定位于未分化的3T3-L1以及从小鼠和人类WAT分离的前脂肪细胞的原纤毛；另外，FFAR4在体内也定位于血管周围的前脂肪细胞的原纤毛；最后，FFAR4基因的原纤毛定位依赖于TULP3。

为了更好地了解FFAR4如何参与脂肪生成，作者检测了脂肪生成过程中FFAR4的表达和定位。与之前的观察结果一致，当3T3-L1细胞发生分化时，FFAR4由原纤毛转移到质膜。因此，FFAR4是一种新发现的纤毛受体蛋白，在体外和体内被TULP3运输到前脂肪细胞的原纤毛。

此外，FFAR4激动剂促进了小鼠原代前脂肪细胞的脂质生成，FFAR4激动剂联合HFD处理可导致小鼠体重显著增加。相应地，FFAR4抑制剂阻碍了人原代前脂肪细胞的脂肪生成，说明FFAR4是脂肪生成所必需的。

3）ω-3脂肪酸激活纤毛FFAR4驱动早期脂肪生成

FFAR4是由长链游离脂肪酸，特别是ω-3脂肪酸激活的，所以作者检测了在DM中添加ω-3脂肪酸DHA能够促进脂肪生成。但是DHA不能增加缺乏TULP3或FFAR的3T3-L1细胞的脂肪生成，FFAR4拮抗剂AH-7614的添加也可抑制DHA产生的效应，因此DHA增强的脂肪生成依赖于FFAR4及其纤毛定位。

那么不同类型的脂肪酸是否促进脂肪生成？作者发现只有DHA作为FFAR4的配体，才显著地促进了脂肪生成，而饱和棕榈酸或单不饱和油酸则没有作用。另外作者还发现在分化的前2天激活FFAR4促进3T3-L1细胞的脂肪生成。因此，DHA和FFAR4是一种生理相关的配体-受体对，由前脂肪细胞纤毛组织以促进脂肪生成。

4）DHA和FFAR4通过提高纤毛cAMP水平促进脂肪生成

DHA作为细胞外信号分子促进脂肪生成，为了找出其发挥作用的分子机制。作者使用荧光显微镜和亲脂绿色荧光BODIPY染料证实，DHA混合物通过激活更多的前脂肪细胞进行分化来促进脂肪生成。同时，作者还检测到DHA诱导脂肪形成基因的表达。加入FFAR4激动剂TUG-891后，3T3-L1前脂肪细胞纤毛cAMP水平迅速升高，并且这种增加依赖于FFAR4的纤毛定位。

cAMP可激活蛋白激酶A（PKA）和cAMP直接激活的交换因子（EPAC）。为了确定纤毛FFAR4激活了哪条通路，作者利用PKA或EPAC的抑制剂加入到DHA混合物诱导的3T3-L1细胞中，结果表明抑制EPAC，但不是PKA，阻止诱导的脂肪生成。因此，DHA通过激活原纤毛和EPAC启动脂肪生成。

5）DHA和FFAR4诱导的脂肪生成需要CTCF

为了研究FFAR4如何影响生脂基因的转录机制。PPARγ和CEBPα是主要的脂肪转录调节因子，DHA混合物能够诱导PPARγ和CEBPα的表达，且对PPARγ的诱导呈FFAR4依赖性。然后作者通过二代测序技术，通过转录因子motif分析表明DHA处理增加了CTCF结合位点的染色质访问。CTCF是染色质结构的调节器，调控染色质的结构和转录。作者通过实验证明DHA诱导染色质重构，CTCF被招募到Adipoq、Cebpα和Fabp4的调控区域，从而激活这些生脂基因的转录，促进脂肪生成。另外，3T3-L1细胞中CTCF的缺乏，显著减弱了DHA介导的这些基因的表达和脂肪生成。

5. 重要性或对领域贡献

通过对前脂肪细胞原纤毛的研究，作者发现了一种生理相关的强有力的受体-配体（DHA-FFAR4），能够在前脂肪细胞分化早期激活脂肪生成。前脂肪细胞纤毛的遗传敲除可阻断体内脂肪生成，并能显著减少脂肪量。ω-3脂肪酸DHA激活前脂肪细胞纤毛FFAR4，导致原纤毛中cAMP水平迅速增加，诱导CTCF介导的染色质重构，激活生脂基因的表达，从而促进脂肪生成。作者发现的DHA/FFAR4信号通路为纤毛疾病中纤毛功能障碍导致的代谢功能障碍提供了分子假设。

6. 存在问题及分析

DHA在原纤毛中诱导cAMP的快速升高，作者将生理学的配体DHA与前脂肪细胞中cAMP的产生联系起来。但是体内DHA信号传导的阈值是多少？其他脂肪生成因素，如胰岛素，是如何影响DHA信号的？这些问题都未解决。一直以来，在人类和小鼠中补充ω-3脂肪酸可以改善胰岛素敏感性和减少脂肪炎症，本文证实了ω-3脂肪酸会刺激前脂肪细胞的扩张，而饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸则不会。因此，ω-3和饱和脂肪酸的比例，以及对这一比例的感知能力，可能决定了增生性脂肪炎和肥大性脂肪炎之间的平衡。

另外作者实验中发现纤毛化的前脂肪细胞约占血管周围细胞的30%，原纤毛可能感受多种信号，但不同纤毛信号通路在单个纤毛内的相互作用尚不清楚，而且在干细胞特性和脂肪生成潜能方面，前脂肪细胞的均匀性和异质性尚待阐明，进一步研究干细胞和信号传递群体将具有重要意义。

原文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31226-7

参考文献

1. Sakaguchi, M., Fujisaka, S., Cai, W., Winnay,J.N., Konishi, M., O’Neill, B.T., Li, M., Garcı′a-Martı′n, R., Takahashi, H.,Hu, J., et al. (2017). Adipocyte dynamics and reversible metabolic syndrome inmice with an inducible adipocyte-specific deletion of the insulin receptor.Cell Metab. 25, 448–462.

2. Haczeyni, F.,Bell-Anderson, K.S., and Farrell, G.C. (2018). Causes and mechanisms ofadipocyte enlargement and adipose expansion. Obes. Rev. 19, 406–420.https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.11.005

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