CM：位点失活模型揭示UCP1调控耗能和性别、ROS依赖的炎症

在人类和小鼠中，棕色脂肪组织（BAT）可以大量消耗血液中的葡萄糖和脂肪酸，通过产热释放能量，是治疗肥胖和胰岛素抵抗的潜在靶点。解偶联蛋白1（UCP1）是BAT消耗能量产热的关键因子。UCP1可以消除线粒体内膜两侧的跨膜质子浓度差，解除电子传递链（ETC）和氧化磷酸化的偶联，氧化磷酸化“空转”消耗能量和“质子泄漏”大量产热。UCP1敲除（UCP1 KO）小鼠是UCP1研究领域的经典模型，大量实验表明敲除UCP1会使小鼠BAT产热功能损伤。然而，该模型存在一个显著的缺陷：敲除UCP1会导致线粒体ETC蛋白的显著下调，这模糊了UCP1和ETC的功能，不利于准确理解UCP1的生理功能。

2021年12月2日，哈佛大学丹娜-法伯癌症研究所的Edward T. Chouchani团队在Cell Metabolism上发表了题为《Cysteine 253 of UCP1 regulates energy expenditure and sex-dependent adipose tissue inflammation》。作者先前的研究发现UCP1 半胱氨酸253位点是UCP1活性调控的关键位点，可以被ROS氧化发生可逆的磺化修饰从而激活棕色/米色脂肪细胞产热，UCP1 C253突变能够抑制UCP1对外界刺激的响应。本研究中，作者构建了UCP1 特异性失活而不影响ETC功能的UCP1 C253A小鼠，该小鼠中的UCP1半胱氨酸253位点突变为丙氨酸后UCP1不能被ROS氧化从而无法响应低温等刺激产热。功能研究发现，UCP1特异性失活破坏了小鼠BAT消耗能量产生热量的功能，使小鼠不能耐受低温、不能抵抗高糖高脂饮食诱导的肥胖。有趣的是，UCP1 C253A雄性小鼠出现葡萄糖不耐受、脂肪组织炎症因子水平升高和脂肪组织免疫细胞浸润增加等表型，而雌性小鼠则无该表型。机制上，UCP1 C253A突变导致线粒体活性氧（ROS）水平上调、线粒体蛋白氧化和DNA损伤，最终导致炎症水平上调；抑制ROS水平或给予雌激素治疗均能抑制雄性UCP1 C253A小鼠的炎症水平。总之，该研究利用UCP1特异性失活小鼠模型，发现了UCP1特异性失活破坏BAT的耗能产热功能、在雄性小鼠中上调炎症水平，更准确地刻画了UCP1的代谢和生理功能。

 1UCP1 特异性失活不影响ETC蛋白水平，却抑制低温情况下BAT的产热功能

作者通过CRISPR技术构建了UCP1 C253A突变小鼠，突变后，UCP1不再响应氧化激活。作者发现UCP1 C253A小鼠BAT中UCP1、线粒体复合体I、II的蛋白水平和WT相似。这表明UCP1 C253A不会像UCP1 KO一样影响ETC蛋白的水平。

那么UCP1 C253A对BAT功能有何影响？作者发现，在标准饲养情况下，WT和UCP1 C253A小鼠具有相同的体重和脂肪量。将小鼠暴露在一系列低温刺激下发现，在热中性（TN，29 ℃）或室温（RT，22℃)时雄性和雌性UCP1 C253A小鼠的氧耗率、二氧化碳释放率和能量消耗与WT小鼠几乎一致；但是在低温(4℃)时，雄性和雌性UCP1  C253A小鼠氧耗率、二氧化碳释放率和能量消耗显著低于WT小鼠，并且UCP1  C253A小鼠肩胛和背部体温显著低于对照；TN条件下，UCP1 C253A小鼠BAT不能被β3-肾上腺受体激动剂激活产热。这表明，UCP1 C253A突变能消除BAT对低温等驱动性刺激的响应，破坏BAT的产热功能。

 2

UCP1特异性失活不影响肥胖过程中的能量消耗和脂肪累积，但是影响雄性小鼠糖耐受

作者研究了UCP1 C253在饮食诱导肥胖（DIO）中调节全身能量消耗的作用。作者在TN和RT条件下用高脂肪、高蔗糖(HFHS)饮食饲喂小鼠，发现雄性和雌性WT和UCP1 C253A小鼠摄食量相似，体重和脂肪量增加程度相似，食物摄入量相同，能量消耗没有差异，脂肪细胞大小和体积也没有差异。

有趣的是，在HFHS喂养后，与WT相比，雄性UCP1 C253A小鼠表现出显著的葡萄糖不耐受，但雌性UCP1 C253A小鼠葡萄糖耐受能力没有显著变化。

 3

UCP1 C253调控雄性小鼠BAT和WAT的炎症水平，对雌性小鼠无影响

为了探索UCP1 C253A在脂肪组织中引发的分子水平的变化，作者对HFHS饮食后的雄、雌性的脂肪组织进行了蛋白质组学分析。在BAT中，和WT相比，雄性UCP1 C253A小鼠的促炎症相关蛋白显著上调，抗炎巨噬细胞的标志物下调。提示在雄性小鼠中UCP1 C253抑制BAT中的炎症水平。有趣的是，在雌性UCP1 C253A中的差异表达蛋白主要参与线粒体翻译调节、底物分解代谢和产热。这表明，UCP1 C253只参与雄性BAT的炎症水平调节，而不影响雌性BAT的炎症水平。

作者接下来分析了WAT中的蛋白。在雄性小鼠的皮下白色脂肪组织（subQ WAT）中，与WT相比，UCP1 C253A小鼠的炎症因子蛋白质丰度显著上调，免疫细胞吞噬、抗原处理和呈递以及中性粒细胞激活的蛋白质丰度显著增加。然而，对雌性UCP1 C253A小鼠WAT的分析却发现炎症因子丰度和蛋白完全没有变化。这表明，UCP1 C253在雄性WAT中能显著抑制炎症因子和免疫细胞吞噬标记物、抗原处理和呈递等相关蛋白，而不参与调控雌性WAT的炎症水平。

 4

UCP1 C253对脂肪组织免疫细胞群体的性别依赖性调控

为了进一步探究UCP1 C253调控脂肪组织炎症水平的机制，作者用流式分析了雄性、雌性小鼠的WAT和BAT中的免疫细胞比例。和WT相比，雄性UCP1 C253A小鼠WAT中CD3+细胞、CD8+细胞毒性T细胞和炎症相关巨噬细胞的数目显著增加。在雄性UCP1 C253A小鼠的BAT中也观察到了免疫细胞的增加。值得注意的是，在雌性UCP1 C253A小鼠的WAT中，CD3+和CD8+细胞的数量都显著降低了，BAT和WAT中的巨噬细胞数量基本不变。这表明UCP1 C253对雄性和雌性小鼠WAT和BAT中的免疫细胞浸润影响不同。

进一步检测促炎因子和抗炎因子的基因表达发现，和WT相比，在雄性UCP1 C253A小鼠的BAT和WAT中促炎细胞因子显著增加，抗炎细胞因子显著降低，BAT中促炎细胞因子的表达显著增加。但是，促炎细胞因子在雌性UCP1 C253A小鼠的BAT和WAT中无显著变化。同时，UCP1 C253A还会重塑雄性小鼠的全身性炎症水平，导致附睾脂肪和肝脏中炎症相关因子的显著上调和组织结构改变。

综上所述，UCP1 C253参与雄性小鼠脂肪组织免疫细胞浸润和炎症稳态调节。脂肪组织炎症在葡萄糖耐受不良的进展中发挥作用，与前面观察到的葡萄糖耐受结果一致。

 5

UCP1 C253失活导致线粒体氧化应激、mtDNA损伤，从而上调炎症水平

那么UCP1 C253是如何调控炎症水平的呢？先前有研究发现，UCP1 C253被ROS氧化可以使线粒体的ROS水平降低；线粒体ROS水平升高会引发大分子损伤诱发炎症。在UCP1 C253A小鼠模型中，UCP1 C235A不能被ROS氧化，消耗ROS。UCP1 C235A的炎症水平上调是否和ROS有关呢？

作者发现，与WT相比，C253A BAT中线粒体蛋白氧化水平显著上调，线粒体DNA损伤水平上调。有趣的是，血浆中mtDNA水平只在UCP1 C253A雄性小鼠中上调，而在雌性小鼠中无变化。这表明UCP1 C253A可以上调ROS水平诱发线粒体损伤。在HFHS的WT和UCP1 C253A小鼠的饮用水中添加线粒体靶向抗氧化剂MitoQ可以在蛋白质和mRNA水平上显著逆转UCP1 C253A小鼠的BAT和WAT的炎症表型。这表明，UCP1 C253A失活导致线粒体ROS水平上调并导致了局部炎症的上调。

 6

雌激素抵抗UCP1 C253A诱导的炎症

那么UCP1 C253为什么不能调控雌性小鼠的炎症水平呢？大量研究表明，在肥胖过程中下，雌激素信号发挥保护作用。作者在 HFHS饮食干预前将缓释β-雌二醇胶囊植入雄性WT和C253A小鼠皮下，发现补充β-雌二醇使雄性C253A小鼠的BAT和WAT中炎症反应恢复至WT水平。这表明UCP1 C253A小鼠的BAT和WAT中雌激素信号有拮抗组织炎症的作用。

总结

BAT是人类和小鼠耗能产热的主要器官，可以大量消耗血糖和脂肪酸，是潜在的肥胖和糖尿病治疗靶点。UCP1是激活BAT产热的关键调控因子，阐明UCP1的功能对于靶向BAT的治疗有重要意义。
作者发现UCP1 C253A突变影响低温时BAT耗能和产热功能，但不影响饮食诱导的肥胖和能量消耗。UCP1 C253A雄性小鼠的葡萄糖耐受能力变差、BAT和WAT炎症水平升高，但是雌性小鼠却无此类表型。机制上，UCP1 C253突变后消耗ROS的能力变弱，引起线粒体ROS水平上升，导致线粒体蛋白氧化和mtDNA损伤，最终导致炎症水平上调；抑制ROS水平或给予雌激素治疗均能抑制雄性UCP1 C253A小鼠的炎症水平。这些结果阐释了UCP1在调控能量消耗、脂质累积，尤其是炎症方面的性别相关的作用。

文/阿司匹林 SHU

责编/Rena

链接：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.11.003

点个分享，把好知识传播出去！