脂肪细胞衰老与肥胖及胰岛素抵抗: SREBP1c-PARP1轴调控DNA修复

脂肪组织是维持能量平衡的重要代谢器官。脂肪细胞是脂肪组织中主要的细胞类型，储存能量并分泌多种细胞因子。脂肪细胞会响应不同的能量状态变化，进行动态重塑以维持脂肪组织的稳态。在肥胖患者中，长期能量供应过剩，脂肪细胞功能失调，伴随着细胞因子和游离脂肪酸的分泌增加，导致炎症反应和胰岛素抵抗。

最近，在肥胖和糖尿病动物的脂肪组织中发现了衰老细胞。细胞衰老是一种细胞停止分裂，但保持代谢活性, 同时发生表型改变的状态。衰老细胞虽然在组织发育、修复和抑制肿瘤中发挥着有益的作用，但是衰老细胞的积累会对组织稳态产生不利影响，并通过衰老相关的分泌表型（SASP）诱导炎症反应, 促进慢性炎症。代谢应激诱导的DNA损伤可触发衰老程序，DNA损伤及修复程度控制细胞走向衰老或凋亡。然而，肥胖过程中细胞衰老对脂肪组织重塑的影响仍然是未知的。

2022年5月3日，首尔国立大学的Jae Bum Kim团队在Cell Metabolism上发表了题为《SREBP1c-PARP1 axis tunes anti-senescence activity of adipocytes and ameliorates metabolic imbalance in obesity》的文章，发现肥胖过程中白色脂肪组织（尤其是附睾脂肪组织，eWAT）是最容易发生衰老的代谢器官，eWAT中的脂肪细胞在肥胖过程中DNA损伤累积最终发生衰老，而脂肪细胞衰老会促进脂肪组织炎症和系统性胰岛素抵抗; 机制上，固醇调节元件结合蛋白家族成员SREBP1c的下调降低了DNA损伤修复酶PARP1对DNA损伤部位的结合和能力，导致脂肪细胞衰老; 衰老的脂肪细胞会通过SASP上调脂肪组织炎症水平，最终导致系统性胰岛素抵抗; 清除衰老细胞能逆转脂肪组织炎症和胰岛素抵抗。本研究揭示了肥胖诱导细胞衰老的分子机制及生理意义，为改善胰岛素抵抗提供了新思路。

肥胖小鼠eWAT脂肪细胞更容易发生细胞衰老

为了明确肥胖时哪些组织更容易衰老, 作者用SA-β-gal检测了高脂饮食（HFD）诱导的肥胖小鼠代谢器官细胞衰老的程度，发现白色脂肪组织（WAT）对衰老最敏感, 衰老相关基因表达显著升高。为了明确脂肪组织中哪一种细胞对衰老更敏感，作者分离了eWAT中的成熟脂肪细胞（AD）和基质血管细胞（SVCs）进行RNA-seq，发现和NCD相比，HFD小鼠AD衰老相关基因升高尤其显著， 并进一步验证。这些结果表明eWAT中的脂肪细胞对HFD诱导的衰老相对比较敏感。

许多研究表明肥胖时脂肪细胞中DNA发生损伤、基因组不稳定性增加，导致细胞衰老。作者发现，HFD小鼠eWAT脂肪细胞中代表DNA损伤未修复的γH2AX信号水平显著高于NCD小鼠。用博莱霉素（BL）或过氧化氢处理SVCs和脂肪细胞，与SVCs相比，脂肪细胞细胞核内γH2AX信号显著延长。这提示脂肪细胞可能具有较低的DNA修复能力。

SREBP1c表达下降导致DNA修复能力降低和脂肪细胞衰老

为了确定肥胖中调节脂肪细胞衰老的关键因素，作者分析了GEO数据库中NCD/HFD的脂肪细胞RNA-seq数据集、复制性衰老的芯片数据集和DNA损伤诱导衰老的芯片数据集，获取了85个肥胖相关衰老的候选基因。对85个基因做调控网络分析，发现脂质代谢的关键转录因子SREBP1在调控网络中处于中心位置。出乎意料的时，差异表达分析显示SREBP1c在肥胖的eWAT中表达下调，且肥胖群体中SREBP1c表达与衰老标记物呈负相关。这提示SREBP1c的降低可能与肥胖脂肪细胞的基因组不稳定性和衰老有关。

作者发现，在博来霉素（BL）处理时SREBP1c敲除（KO）脂肪细胞DNA修复能力下降、衰老程度加剧，而在SREBP1c KO脂肪细胞中过表达SREBP1c则能逆转这两种现象。HFD WT小鼠的eWAT中过表达SREBP1c也可下调衰老标志物表达，降低SA-β-gal染色深度。这表明，SREBP1c表达对于维持脂肪细胞基因组完整性和抵抗细胞衰老非常重要。

SREBP1c增强PARP1 修复DNA的活性

那么SREBP1c是如何参与脂肪细胞DNA损伤反应的呢？作者发现SREBP1c调控的脂肪生成与基因组不稳定性无关。接下来，作者进行了激光微辐照实验，发现SREBP1c可能在DNA损伤处发挥作用，提示其直接参与DNA损伤修复。作者分析前人发表的SREBP1c相互作用蛋白质数据，发现SREBP1c可能和PARP1存在相互作用。PARP1是关键的DNA修复酶之一，作为DNA修复酶复合体的招募支架，与DNA损伤部位结合，促进多ADP-核糖（PAR）的多聚化。作者通过co-IP发现，在eWAT中，SREBP1c蛋白与PARP1蛋白存在物理上的相互作用，在DNA损伤的情况下二者的相互作用增强。体外实验显示SREBP1c可以结合PARP1的DNA结合结构域，提示SREBP1c可能会影响PARP1与DNA受损区域的结合能力。作者使用生物素标记的缺口DNA模拟DNA损伤进行体外免疫沉淀分析实验，发现SREBP1c能显著提高PARP1与缺口DNA的结合。SREBP1c蛋白以剂量依赖性的方式上调PARP1的酶活性。综上所述，SREBP1c在DNA修复过程中促进PARP1与DNA 的结合及酶活性。

SREBP1c-PARP1轴调控脂肪细胞基因组完整性和衰老

综上结果，作者推测脂肪细胞中SREBP1c低表达可能减弱PARP1介导的DNA修复能力最终导致细胞衰老。作者发现，在激光微照射实验中，PARP1蛋白被招募到WT细胞的DNA损伤部位，但在SREBP1c KO细胞中PARP1招募水平显著降低。此外，在BL存在下，SREBP1c KO脂肪细胞DNA损伤诱导的PAR蛋白水平下降，然而，PARP1的mRNA水平并没有因SREBP1c KO而改变。这表明SREBP1c KO不通过转录调控降低PARP1的活性。

作者发现，在脂肪细胞中SREBP1c过表达显著下调γH2AX信号和SA-β-gal染色，而抑制PARP1则有效地抵消了上述SREBP1c的作用。同时，PARP1过表达显著减轻了SREBP1c KO脂肪细胞中DNA损伤累积、降低了细胞衰老。这些结果表明，脂肪细胞中的SREBP1c-PARP1轴确实参与调控基因组稳定性和细胞衰老。

SREBP1c KO加重了肥胖小鼠eWAT的衰老和炎症

作者进一步明确SREBP1c- PARP1轴在肥胖小鼠的脂肪细胞衰老中的作用。HFD喂养后，WT和SREBP1c KO雄性小鼠显示出相似的体重、组织重量和摄食量；SREBP1c KO小鼠血清中的游离脂肪酸和甘油三酯水平进一步升高；SREBP1c KO不会显著影响肝脏表型；SREBP1c KO肥胖小鼠eWAT的SA-β-gal染色强度、eWAT脂肪细胞中衰老标志物水平都显著高于WT；SREBP1c KO小鼠eWAT中γ H2AX阳性细胞核数和p21阳性细胞核数高于WT，而细胞核中PAR水平低于WT。这些结果表明，SREBP1c KO加重了肥胖小鼠eWAT中脂肪细胞的衰老。

衰老细胞通过SASP刺激促炎反应。作者使用来自WT和SREBP1c KO小鼠原代脂肪细胞的条件培养基（CM）进行单核细胞迁移实验，发现 SREBP1c KO脂肪细胞的CM促进单核细胞迁移的能力更强。热灭活的CM效果减弱，提示热敏感蛋白（可能是细胞因子）起作用。对血清中细胞因子的比较分析也显示肥胖SREBP1c KO小鼠中SASP水平更高。这些数据表明，SREBP1c KO脂肪细胞衰老后促炎症SASP上调，加重了炎症水平。

肥胖SREBP1c KO小鼠中eWAT炎症反应加剧全身胰岛素抵抗

为了进一步探究衰老脂肪细胞对炎症反应的影响，作者检测了HFD喂养的WT和SREBP1c KO小鼠的eWAT，HE染色显示SREBP1c KO eWAT中冠状结构、CD11c染色强度高于WT。此外，SREBP1c KO eWAT中M1巨噬细胞数量增加、促炎基因和细胞因子的mRNA水平上调。这表明SREBP1c KO增加了肥胖小鼠eWAT的炎症反应。

大量研究表明eWAT炎症反应上调会促进全身胰岛素抵抗。HFD后，与WT小鼠相比，SREBP1c KO小鼠eWAT中胰岛素依赖的AKT磷酸化程度降低，葡萄糖和胰岛素不耐受，表明SREBP1c KO加重了肥胖小鼠的胰岛素抵抗。作者进一步探究了免疫细胞的浸润与SREBP1c KO小鼠胰岛素抵抗的关系。作者使用氯膦酸盐（Clod）清除巨噬细胞后发现，抑制炎症改善了SREBP1c KO小鼠的胰岛素敏感性但并不下调eWAT中衰老相关基因表达。这表明，SREBP1c KO肥胖小鼠eWAT衰老增强，促进炎症，进而促进系统性胰岛素抵抗。

清除衰老的脂肪细胞可以改善胰岛素抵抗

为了进一步探究脂肪衰老细胞增加对胰岛素抵抗的影响，作者首先使用衰老清除剂达沙替尼和槲皮素（DQ）处理脂肪细胞。在脂肪细胞中，DQ可以降低SA-β-gal染色强度，抑制衰老标志物的表达。此外，DQ可以通过促进凋亡降低衰老脂肪细胞的活性。在DQ处理时，SREBP1c KO脂肪细胞更容易发生细胞死亡，而SREBP1c过表达保护脂肪细胞抵抗细胞死亡，这意味着SREBP1c KO加重了脂肪细胞衰老，增加了对DQ诱导的细胞死亡的敏感性。

那么DQ对小鼠胰岛素抵抗有影响吗？作者在小鼠HFD过程中间歇性地给予DQ，发现DQ能清除衰老细胞并改善WT和SREBP1c KO小鼠的胰岛素抵抗，SREBP1c KO小鼠受益更多；DQ对HFD小鼠的体重增加、摄食量和组织重量没有显著影响；DQ可以将SREBP1c KO eWAT中SA-β-gal染色强度降低到与SREBP1c WT eWAT相似的水平，并且能下调eWAT和脂肪细胞中衰老相关基因、炎症基因的表达水平。这表明，SREBP1c KO肥胖小鼠衰老脂肪细胞的积累是WAT炎症和系统性胰岛素抵抗的关键因素，清除衰老脂肪细胞能改善炎症和胰岛素抵抗。

总结

脂肪是代谢调节的重要器官，脂肪组织的衰老及其生理意义仍不清楚。在本研究中，作者发现了白色脂肪组织是衰老易感器官，脂肪细胞衰老是肥胖脂肪组织病理性重塑的重要途径。进一步研究表明，脂肪细胞的衰老可能是肥胖的应激反应之一，而衰老脂肪细胞的旁分泌/内分泌效应可能是肥胖中系统能量稳态失调的主要原因之一。机制上，在肥胖中，DNA损伤的升高会促进脂肪细胞衰老，导致炎症反应和胰岛素抵抗；SREBP1c通过增强PARP1活性促进DNA修复，维持基因组稳定性来抵抗脂肪细胞衰老。用衰老清除剂能有效抑制小鼠的炎症和胰岛素抵抗。总之，本研究发现SREBP1c-PARP1轴是肥胖中脂肪细胞衰老及相关病理过程的关键调节因子，揭示了肥胖诱导衰老的分子机制及生理意义，提示脂肪细胞衰老可能成为肥胖相关代谢疾病的治疗新靶标。

文：阿司匹林 SHSP

责编：Rena

链接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.03.010

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