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代谢学人--Science子刊近期精选与解析

已有 5318 次阅读 2021-10-14 12:46 |个人分类:代谢荐读|系统分类:科研笔记

代谢学人--Science子刊近期精选与解析


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撰文 | 刘秀玉 刘诗鸣 姚静 张俊 郭明伟 朱爽爽

编辑 | 孟美瑶


周三又来到

打开代谢学人

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粉碎周三的消极

卸下忙碌的疲惫

知识就是力量

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一起来看小编准备的

Science Advances近期代谢精选吧~


不管是人还是动物

都能够随时打破固有印象

展现新的能力

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是摄像师,又不完全是


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谁说猪就又懒又胖了?


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一直以为大象是不剥皮直接吃的。。。


棕色化因子Prdm16近期也被发现有新的能力

Sciences Advances上发表的研究显示

除了调控产热脂肪功能

Prdm16也能作为核膜蛋白调控异染色质

控制纤维成脂祖细胞命运

在肌肉修复中发挥重要功能



做事要讲求证据

下面的猫猫

再抵赖也是没用的


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面粉打翻了?我不知道啊

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我没有碰面团,没有

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是它先动的手


对于巨噬细胞激活

乳酸化修饰是否起推动作用?

近期Science Advances也给出了证据

发现乳酸和IL6决定炎症代谢适应的不同途径

乳酸化修饰是巨噬细胞激活的结果、而非原因



跨越种族的友谊

总是特别感人

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分子间跨越传统功能的合作

也特别有利于创新

近期Science Advances发现

癌症中升高的胰高血糖素

调控节律因子REV-ERBα蛋白稳定性

从而上调肝脏葡萄糖生成

为肿瘤恶病质推波助澜



Science Advances


1Prdm16介导的H3K9甲基化调控骨骼肌修复中纤维成脂祖细胞命运

组蛋白甲基化调控FAPs的分化方向。

中文摘要

H3K9甲基化可以维持细胞身份。其通过沉默可变的命运决定基因并将其锚定在核纤层(NL)下的异染色质中来实现。然而,细胞类型特异的基因组区域是如何靶向核纤层,尚不清楚。本文以纤维成脂祖细胞 (Fibro-adipogenic progenitors,FAPs) 为模型,发现Prdm16是一种核膜蛋白,能够以细胞特异性的方式锚定被H3K9甲基化的染色质。Prdm16通过在细胞核周边调控核纤层相连结构域组织(lamina-associated domain organization)和异染色质沉默(heterochromatin sequestration)来介导FAP的发育能力。Prdm16位于核纤层,它与H3K9甲基转移酶G9a/GLP共同调控肌生成相关基因的锚定和沉默,从而抑制FAP向成肌命运(alternative myogenic fate)分化。通过遗传干预或药物诱导阻断这种沉默和锚定作用之后,FAP表现出成肌分化潜能,阻断了萎缩肌肉中的纤维成脂性恶化。综上所述,本文揭示了一种可利用异染色质核周沉默(heterochromatin perinuclear sequestration)在体内重编程FAP的药物开发机制。

拓展阅读

Prdm16在肌肉和产热脂肪中的功能

Prdm16是脂肪细胞中较强的产热表型诱导基因。在棕色和米色脂肪组织中,Prdm16在维持适当的组织结构、功能及整个分化过程中具有重要作用。如下图,其主要是通过与其他成脂因子(PPARg、PGC1α、ZFP516、C/EBPβ等)的相互作用维持产热基因表达,说明Prdm16具有协调整个棕色脂肪表型的功能。在小鼠模型已经证实棕色和米色脂肪的产热功能依赖于Prdm16,Prdm16的激活可刺激脂肪细胞的产热作用,以改善肥胖及其并发症。

组蛋白甲基化是一种化学稳定的表观遗传修饰,因此是持久细胞记忆的有力机制,前期研究表明,Prdm16可以通过染色质修饰等表观遗传修饰作用抑制骨骼肌分化相关基因的表达。如下图,一些组蛋白甲基修饰酶如EHMT1等与PRDM16协同作用参与了米色脂肪细胞命运的决定。而近期研究表明,在纤维成脂祖细胞 (FAPs) 这一既有成脂分化潜能又有成肌分化潜能的多能间质细胞中,Prdm16可以作为一种核膜蛋白与H3K9甲基转移酶G9a/GLP共同调控肌生成相关基因的锚定和沉默,从而抑制FAP的骨骼肌分化相关基因表达,阻止其向成肌分化的命运,阐明了Prdm16在脂肪产热以外所承担的重要作用。

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FAP在成肌与成脂中的功能

纤维成脂祖细胞(FAPs),是具有间充质干细胞/间质细胞特性的肌肉驻留间质细胞。它们通过分泌复杂的细胞外基质成分、细胞因子、配体和免疫调节因子,塑造微环境,是维持成年肌肉稳态和肌肉再生的调控枢纽。FAPs在发育上与肌肉干细胞 (MuSCs) 不同,被定义为非肌源性双潜能祖细胞,能够在体内和体外生成成纤维细胞和脂肪细胞。在骨骼肌修复的状态下,FAPs迅速增殖和扩展,通过旁分泌作用促进Musc介导的再生并维持内稳态平衡。

相反,如下图所示,虽然受损的骨骼肌可以再生,但随着年龄的增长或长期肌肉营养不良,肌肉会逐渐被脂肪取代。损伤后,肌肉驻留的FAPs增殖并产生脂肪细胞。即在慢性损伤或营养不良的肌肉中,FAPs积累并分化为成纤维细胞和脂肪细胞,从而成为纤维化和脂肪浸润的来源,取代退化肌肉中的肌肉组织。且前期研究报道表明,在FAPs上存在初生纤毛(primary cilia),这种纤毛可以传递细胞间的信号,如Hedgehog (Hh) 信号,从而促进FAPs形成脂肪细胞。如果从基因上阻断FAPs的初生纤毛生成可以抑制肌肉内脂肪生成,在慢性肌肉损伤后或杜氏肌营养不良小鼠模型中都发现了这种初生纤毛的阻断现象。研究发现,通过FAP纤毛的Hh信号调节TIMP3(分泌的金属蛋白酶抑制剂)的表达,从而抑制MMP14,解除了MMP14对脂肪形成的抑制作用。TIMP3的药理学模拟物可阻断FAPs向脂肪细胞的转化,这暗示了一种新的对抗骨骼肌脂肪变性的策略。

然而,除了在肌肉组织中存在这种多功能的祖细胞,近年来,随着脂肪单细胞测序的进一步发展,研究人员也在脂肪细胞中聚类到了FAPs。与肌肉中的FAPs不同的是,在脂肪中FAPs被更为精细的分成了四类;FAP1,FAP2,FAP3,FAP4。这四类细胞高度同源,但是在聚类上略有不同,如:FAP1与经典的脂肪祖细胞APC较为相似,可分化为早期前体脂肪细胞,而FAP2在近期研究中表明其是FAP1分化为成熟脂肪细胞的下一阶段,可分化为晚期的前体脂肪细胞,(注:前体脂肪细胞分化为成熟的脂肪细胞前也可以细分成早期前体和晚期前体,FAP1对应早期前体,FAP2对应晚期前体)。而FAP3FAP4在标志基因上则更类似于纤维炎性祖细胞的特征,其在HFD的诱导下呈现亚群数量减少的趋势。

因此,在脂肪组织中存在4种FAPs,而HFD诱导的肥胖导致前脂肪细胞比例显著增加,即HFD诱导了FAPs向前脂肪细胞表型转化(下图)。但是这样的成脂转化方向主要是来自FAP1和FAP2,而非FAP3和FAP4亚群。

如果想要知道更详细的单细胞测序背景下的FAPs的分化特征,可以点击下方我们二月的精读链接哦~(Cell Metabolism:单细胞核测序告诉你脂肪在肥胖中如何变变变

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综上,纤维成脂祖细胞(FAPs)是一种多功能的祖细胞,其在不同的环境影响条件下具有成肌分化或成脂分化、成纤维分化的不同潜能。

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参考文献

[1] Inagaki T. H.Diabetol Int. 2018.

[2] Biferali B.Sci Adv. 2021.

[3] Chi J, CohenP. Trends Endocrinol Metab. 2016.

[4] Kopinke D.Cell. 2017

[5]Collao N. Front Cell DevBiol. 2020


Prdm16-mediated H3K9methylation controls fibro-adipogenic progenitors identity during skeletal muscle repair

发表单位:Institute of Molecular Biology and Pathology (IBPM), National Research Council (CNR) of Italy c/o Department of Biology and Biotechnology C. Darwin, Sapienza University

PI:Chiara Mozzetta,一作:Beatrice Biferali

Abstract

H3K9 methylation maintains cell identity orchestrating stable silencing and anchoring of alternate fate genes within the heterochromatic compartment underneath the nuclear lamina (NL). However, how cell type-specific genomic regions are specifically targeted to the NL is still elusive. Using fibro-adipogenic progenitors (FAPs) as a model, we identified Prdm16 as a nuclear envelopeprotein that anchors H3K9-methylated chromatin in a cell-specific manner. We show that Prdm16 mediates FAP developmental capacities by orchestrating lamina-associated domain organization and heterochromatin sequestration at the nuclear periphery. We found that Prdm16 localizes at the NL where it cooperates with the H3K9 methyltransferases G9a/GLP to mediate tethering and silencing of myogenic genes, thus repressing an alternative myogenic fate in FAPs. Genetic and pharmacological disruption of this repressive pathway confers to FAP myogenic competence, preventing fibro-adipogenic degeneration of dystrophic muscles. In summary, we reveal a druggable mechanism of heterochromatin perinuclear sequestration exploitable to reprogram FAPs in vivo.

原文链接:https://advances.sciencemag.org/content/7/23/eabd9371



2、乳酸和IL6决定炎症代谢适应的不同途径

巨噬细胞的炎症应激后的代谢重组。

中文摘要

乳酸是炎症巨噬细胞有氧糖酵解代谢(Warburg-type metabolism)的终端产物。 最近,有研究显示乳酸可以以时间依赖的方式修饰脂多糖(LPS)激活的巨噬细胞的组蛋白,并促进包含精氨酸酶-1 (Arg1)等组织修复相关基因的表达。本研究检测了组蛋白乳酸化修饰 (Kla)和组织修复相关基因表达之间的相互关系,发现Kla与Arg1表达相关,但和其他M2型巨噬细胞激活相关的基因表达变化无相关性。LPS诱导的Arg1表达依赖于通过自分泌-旁分泌途径产生的白介素-6 (IL6)、IL6受体和Stat3信号转导通路。本研究发现,Kla表达随着炎症应激下巨噬细胞即将死亡而增加,但其在不能产生活性氮或各类死亡途径存在缺陷的巨噬细胞中表达降低。因此,Kla是巨噬细胞激活的结果而不是原因,其与炎症胁迫下IL6-和Arg1依赖的代谢重编程同步发生

拓展阅读

巨噬细胞的有氧糖酵解

巨噬细胞(Macrophages)是机体重要的固有免疫细胞,广泛存在于机体多种组织和器官中。正常情况下机体巨噬细胞以静息状态存在,体积较小、细胞器不发达、代谢率低、存活时间长。在IL-4和IL-10等刺激下发生M2型极化,分泌大量抗炎因子如IL-10、Arg-1和IL-13等,可发挥炎症清除和组织修复功能。而在感染、内毒素和缺氧等致炎因素刺激下,静息态巨噬细胞发生M1型极化,与M2一样表现为胞体增大,代谢活跃,但会生成大量TNF-α、IL-6和一氧化氮合酶(iNOS)等致炎因子,以杀灭外源性病原菌。

研究发现,在脂多糖 (lipopolysaccharide,LPS) 刺激的M1型极化巨噬细胞中出现与肿瘤细胞相似的Warburg效应,主要特征为氧化磷酸化代谢和ATP水平降低,但葡萄糖消耗和乳酸合成增加。并且细胞代谢过程中所消耗的氧气主要用于生成杀灭病原菌的ROS。同时,M1型巨噬细胞中核因子E2相关因子2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2) 及其下游抗氧化酶系统被激活,这就保证了ROS在杀伤病原菌的同时不会造成巨噬细胞自身的损伤或凋亡。因此,静息态巨噬细胞主要以氧化磷酸化为主进行糖代谢,而在M1型极化过程中则转变为有氧糖酵解代谢。与M1巨噬细胞相反,IL-4激活的M2型巨噬细胞更依赖于从葡萄糖、脂肪酸的有氧氧化以及谷氨酰胺的消耗中获取能量。并且巨噬细胞的M2型极化可促进电子传递链中的组分表达,并且驱动丙酮酸进入三羧酸循环。


精氨酸酶1在巨噬细胞激活中的作用

除了葡萄糖和脂肪酸代谢,iNOS和精氨酸酶1(Arg1)也在巨噬细胞的极化中发挥重要作用。在M1型巨噬细胞中,其iNOS的表达增加,于是从外界吸收的精氨酸由iNOS代谢为NO和瓜氨酸,瓜氨酸随后从细胞中排出。当细胞外精氨酸耗尽时,瓜氨酸可以进入细胞,并通过精氨酸琥珀酸合酶(Ass1)和精氨酸琥珀酸裂解酶 (Asl)循环合成精氨酸,最终维持NO的产生,而NO可通过抑制TCA循环来促进巨噬细胞的有氧糖酵解,进而促进巨噬细胞的M1型极化。M2型巨噬细胞则高表达Arg1,Arg1能够与iNOS竞争同一底物精氨酸,将其水解为尿素和鸟氨酸,鸟氨酸又可以进一步代谢为多胺和脯氨酸,进而促进TCA循环和氧化磷酸化,抑制NO介导的炎症通路,从而利于M2型巨噬细胞的形成。

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Arg在M1型巨噬细胞的作用

 

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Arg在M2型巨噬细胞的作用


参考文献

[1] Van den Bossche J, et al. Trends Immunol.2017;38(6):395-406.

[2] Kelly B, et al. Cell Res.2015;25(7):771-784.

[3] Kieler M, et al. FEBS J. 2021;288(12):3694-3714.


Lactate and IL6 define separable paths of inflammatory metabolic adaptation

发表单位:Max Planck Instituteof Biochemistry

PI: Peter J. Murray ,一作:Stefanie Dichtl

Abstract

Lactate is an end point of Warburg-type metabolism found in inflammatory macrophages. Recently, lactate was shown to modify histones of lipopolysaccharide (LPS)–activated macrophages in a time-dependent way and promote the expression of genes linked to tissue repair, including arginase-1 (Arg1). We tested the interrelationships between histone lactylation (Kla) and tissue reparative gene expression and found that Kla was uncoupled from changes in gene expression linked to resolving M2 macrophage activation but correlated with Arg1 expression. LPS-induced Arg1 was instead dependent on autocrine-paracrine interleukin-6 (IL6) production, the IL6 receptor, and Stat3 signal transduction. We found that Kla increases as macrophages prepare to die under inflammatory stress, and Kla was absent in macrophages that cannot generate reactive nitrogen or have defects in diverse macrophage death pathways. Thus, Kla is a consequence rather than a cause of macrophage activation but occurs coincidently with anIL6- and Arg1-dependent metabolic rewiring under inflammatory duress.

原文链接:https://advances.sciencemag.org/content/7/26/eabg3505



3、肺癌相关恶病质模型中,胰高血糖素通过调节REV-ERBα的稳定性来控制肝脏葡萄糖生成

胰高血糖素激活的PKA信号通过调节REV-ERBα控制肝脏糖异生。


中文摘要

肺腺癌与恶病质有关,恶病质表现为引起脂肪组织和骨骼肌消耗的炎症反应。我们之前报道过肺肿瘤(TB)小鼠存在炎症信号和激素信号的改变,而这些改变损害了肝脏中糖脂代谢的昼夜节律。在这里,我们探究了肺腺癌模型中肝脏葡萄糖从头合成增强的分子机制。我们发现,在TB小鼠中,血清胰高血糖素水平的升高刺激环磷酸腺苷cAMP的产生并激活肝蛋白激酶A (PKA)信号通路。PKA靶向昼夜节律蛋白REV-ERBα(糖异生基因的负转录调控因子)并降低其稳定性,从而导致葡萄糖从头合成的增加。总之,我们发现在肺癌相关恶病质模型中,胰高血糖素激活的PKA信号调节REV-ERBα的稳定性,借以调控肝脏葡萄糖生成

拓展阅读

糖异生和葡萄糖生成

糖异生(gluconeogenesis)指的是生物体将多种非糖物质转变成葡萄糖或糖原的过程。在哺乳动物中,肝是糖异生的主要器官,除了肝脏,肾脏也存在一定的糖异生能力,但肾的糖异生能力只有肝的1/10左右,长期饥饿时肾糖异生能力则可大为增强。糖异生的主要前体是乳酸、丙酮酸、氨基酸及甘油等。葡萄糖生成(glucose production)中,糖异生是其来源之一,除此之外糖原分解也可以供给葡萄糖。

在本文中,PKA靶向昼夜节律蛋白REV-ERBα(糖异生基因的负转录调控因子)并降低其稳定性,从而导致葡萄糖从头合成的增加。而上文提到的葡萄糖从头合成主要是指糖异生来源的葡萄糖,在本文中葡萄糖检测方法也并不区分葡萄糖是来源于糖异生还是糖原分解。

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参考文献

[1] Verlande A. Sci Adv. 2021.

[2] Petersen MC. Nat Rev Endocrinol. 2017.


Glucagon regulates the stability of REV-ERBα to modulate hepatic glucose production in a model of lung cancer-associated cachexia

发表单位:Department of Biological Chemistry, Center for Epigenetics and Metabolism, Chao Family Comprehensive Cancer Center, University of California

PI:Selma Masri ,一作:Amandine Verlande

Abstract

Lung adenocarcinoma is associated with cachexia, which manifests as an inflammatory response that causes wasting of adipose tissue and skeletal muscle. We previously reported that lung tumor–bearing (TB) mice exhibit alterations in inflammatory and hormonal signaling that deregulate circadian pathways governing glucose and lipid metabolism in the liver. Here,we define the molecular mechanism of how de novo glucose production in the liver is enhanced in a model of lung adenocarcinoma. We found that elevation of serum glucagon levels stimulates cyclic adenosine monophosphate production and activates hepatic protein kinase A (PKA) signaling in TB mice. In turn, we found that PKA targets and destabilizes the circadian protein REV-ERBα, a negative transcriptional regulator of gluconeogenic genes, resulting in heightened de novo glucose production. Together, we identified that glucagon-activated PKA signaling regulates REV-ERBα stability to control hepatic glucose production in a model of lung cancer–associated cachexia.

原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abf3885


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