抑制骨骼肌中的Kdm2a可改善肥胖患者的代谢灵活性

　　

华中科技大学同济医学院附属同济医院呼吸与危重症医学科的研究人员近日在《Nature Metabolism》杂志上发表了题为“Kdm2a inhibition in skeletal muscle improves metabolic flexibility in obesity”的论文。

这项研究揭示了组蛋白去甲基化酶 Kdm2a 在调节骨骼肌代谢灵活性中的关键作用，为理解代谢性疾病的发病机制提供了新视角，同时表明 Kdm2a 有望成为对抗代谢应激的潜在治疗靶点，在肥胖及相关代谢疾病的干预和治疗方面具有重要的临床意义。

研究背景

骨骼肌作为维持代谢稳态的关键器官，其代谢灵活性对整体代谢健康至关重要。在肥胖状态下，骨骼肌的代谢功能常受损，表现为线粒体功能障碍、慢肌纤维（STM）比例降低，进而引发胰岛素抵抗等一系列代谢紊乱问题，与2型糖尿病、脂肪肝和心血管疾病等的发生密切相关。

组蛋白的翻译后修饰是调节基因表达的重要表观遗传机制，其中组蛋白甲基化在骨骼肌代谢调节中的作用复杂且尚未完全明晰。已有研究表明，组蛋白乙酰化参与调节 GLUT4 表达、葡萄糖摄取和胰岛素介导的糖原合成，但组蛋白甲基化在骨骼肌代谢稳态中的具体机制仍有待深入探索。在此背景下，探究组蛋白甲基化相关酶在骨骼肌代谢中的作用，对揭示代谢性疾病的发病机制和寻找潜在治疗靶点具有重要意义。

研究材料与方法

实验动物：构建了 C57BL/6 背景下的 Kdm2aflox/flox 小鼠，通过与 ACTA1-rtTA、tetO-cre 小鼠杂交，获得骨骼肌特异性 Kdm2a 敲除（Kdm2aSKO）小鼠模型。同时使用野生型（WT）小鼠作为对照，所有小鼠饲养于无病原体的条件下，给予正常饮食（ND）或高脂饮食（HFD）处理。

细胞实验：选用 C2C12 小鼠成肌细胞系，进行细胞培养、分化、转染等实验操作，包括使用慢病毒介导的 CRISPR/Cas9 技术构建 Kdm2a 基因敲除的 C2C12 细胞系，转染 siRNA 干扰特定基因表达等。

实验处理：对小鼠进行冷适应、高脂饮食诱导肥胖、腹腔注射葡萄糖耐量试验、胰岛素耐量试验等处理；对细胞进行高糖、棕榈酸刺激等处理。

检测方法：运用Western blotting、RT-qPCR、免疫荧光染色、代谢笼检测、葡萄糖摄取实验、生化分析、染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）、RNA 测序（RNA-seq）等多种技术，检测相关蛋白表达、基因表达、代谢参数、DNA 甲基化状态等指标。

技术路线

• 研究人员首先比较了慢肌纤维（STM）和快肌纤维（FTM）中组蛋白甲基化水平及相关酶的表达差异，发现 Kdm2a 在 FTM 中高表达且与 H3K36me2 水平呈负相关。

• 构建 Kdm2aSKO 小鼠模型和细胞模型，分别在寒冷刺激和高脂饮食条件下，研究 Kdm2a 缺失对小鼠代谢表型、骨骼肌纤维类型转变、线粒体功能等的影响。

• 通过 RNA-seq 和 ChIP-seq 分析，探究 Kdm2a 调节骨骼肌代谢的分子机制，发现其通过影响 Esrrg 基因的 mRNA 剪接来调控代谢相关基因表达。

• 使用 KDM2A 抑制剂达米诺唑（daminozide）处理小鼠，验证 Kdm2a 作为治疗靶点的可行性，观察其对小鼠代谢指标、骨骼肌代谢模式的影响。

研究结果

Kdm2a 催化 H3K36me2 去甲基化并降低 STM 比例

研究人员对比了雄性 WT 小鼠的 STM 和 FTM，发现 STM 中组蛋白赖氨酸泛二甲基化水平和 Pgc1a 表达显著高于 FTM，而 Kdm2a 在 FTM 中选择性高表达，同时 H3K36me2 水平降低，表明 Kdm2a 可能负向调节 H3K36me2 水平。对雄性小鼠进行寒冷适应实验，2 周后发现腓肠肌（Gas）中 Pgc1a 表达增强，H3K36me2 水平升高，Kdm2a 表达下降；相反，高脂饮食（HFD）诱导 16 周后，Gas 中 Pgc1a 表达降低，H3K36me2 水平下降，Kdm2a 表达增加。在人类胫骨前肌样本中，KDM2A 表达与 BMI 呈正相关，且伴随 H3K36me2 水平降低和 PGC1a 表达减弱。这些结果表明，Kdm2a 催化 H3K36me2 去甲基化，在代谢应激时降低 Gas 中 STM 的比例。

增强 Kdm2a 敲除小鼠在寒冷刺激下的葡萄糖消耗

研究人员构建了可诱导的骨骼肌特异性 Kdm2a 敲除小鼠模型（Kdm2aSKO），并对其进行寒冷刺激实验。结果显示，Kdm2aSKO 小鼠在寒冷刺激 2 周后体温稳定性更好，随机体温更高，体重下降更明显，空腹血糖水平更低，葡萄糖耐量和胰岛素敏感性改善。代谢笼检测发现，Kdm2aSKO 小鼠在寒冷刺激后白天产热、耗氧量、二氧化碳排放量增加，呼吸交换比（RER）升高，表明其葡萄糖消耗增加。Gas 肌肉表现为颜色变深，肌红蛋白（Mb）和血管内皮生长因子表达上调，Myh7 增加，Myh4 减少，免疫染色证实发生了 FTM 向 STM 的转变，线粒体呼吸相关基因表达和线粒体 DNA 含量增加，透射电镜显示线粒体数量和嵴密度增加。在体外实验中，Kdm2a-KO 的 C2C12 成肌细胞在寒冷刺激 2 小时后葡萄糖摄取增加，肌血管生成、肌纤维类型转变和线粒体功能改善。由此可知，Kdm2a 缺失通过促进富含线粒体的 STM 转变，增强葡萄糖消耗，保护小鼠免受寒冷刺激。

Kdm2a 缺失促进 HFD 诱导小鼠的脂质消耗

对 Kdm2aSKO 小鼠和对照小鼠进行 16 周 HFD 诱导实验，发现 Kdm2aSKO 小鼠体重、脂肪量降低，空腹血糖和血清胰岛素水平下降，葡萄糖耐量和胰岛素敏感性增强。代谢分析显示，Kdm2aSKO 小鼠耗氧量、二氧化碳排放量和能量消耗增加，RER 值降低，表明其 β - 氧化增强。Gas 肌肉呈暗红色，FTM 向 STM 转变，线粒体呼吸相关基因表达和线粒体拷贝数增加，透射电镜显示线粒体肿胀减少，嵴密度增加，脂滴减少。在体外实验中，Kdm2a 缺失的 C2C12 成肌细胞在棕榈酸刺激 48 小时后，产热增强，肌血管生成、STM 转变、线粒体生物发生和氧化呼吸增加。这说明 Kdm2a 缺失促进 FTM 向 STM 转变，增强骨骼肌代谢灵活性，优先消耗脂质以适应营养过剩诱导的代谢应激。

Kdm2a 在 HFD 挑战下重塑脂质代谢

对 HFD 喂养的 WT 和 Kdm2aSKO 小鼠的 Gas 肌肉进行 RNA 深度测序，KEGG 和基因本体分析表明，Kdm2a 缺失影响的通路与脂质代谢相关，RT-qPCR 验证了脂解、脂肪酸氧化和脂肪生成相关基因的表达变化。Kdm2aSKO 小鼠在 HFD 或冷刺激后，Gas 组织和循环中甘油三酯、总胆固醇浓度降低，血清游离脂肪酸水平下降，相关脂解标记物（如 p-ACC 和 Cpt1a）表达变化与之一致。这些结果表明，Kdm2a 缺失重塑骨骼肌脂质代谢谱，促进从 FTM 到 STM 的转变，增强能量消耗，促进产热，缓解代谢应激。

Esrrg 前体 mRNA 剪接重塑肌肉代谢模式

通过 ChIP-seq 和 RNA-seq 联合分析，研究人员发现 Kdm2aSKO 小鼠中雌激素相关受体 γ（Esrrg）表达上调。H3K36me2 在 Esrrg 基因内含子 5 区域有显著富集，Kdm2a 缺失导致该区域内含子 RNA 水平下降，外显子 4 - 5 RNA 水平上升，说明 Kdm2a 可能通过催化 H3K36me2 去甲基化调节 Esrrg 前体 mRNA 剪接。进一步研究发现，H3K36me2 可招募 Mrg15，促进 Esrrg 前体 mRNA 成熟，增强其表达。敲低 Mrg15 或 Esrrg 可逆转 Kdm2a 缺失导致的代谢改善表型。在体内外实验中，Esrrg 表达与 H3K36me2 水平相关，且在人类肌肉样本中，ESRRG 水平与 BMI 呈负相关，与 KDM2A 表达呈负相关。由此可见，Kdm2a 缺失促进 H3K36me2 - Mrg15 复合物形成，增强 Esrrg 前体 mRNA 剪接，增加其表达，从而重塑肌肉代谢模式。

Kdm2a 也许是对抗代谢应激的可行靶点

使用 KDM2A 抑制剂 daminozide 处理 HFD 诱导肥胖和胰岛素抵抗的 WT 小鼠，发现处理后的小鼠随机核心体温升高，体重减轻百分比增加，空腹血糖水平、葡萄糖耐量和胰岛素敏感性改善。代谢分析显示，daminozide 处理的小鼠耗氧量、二氧化碳排放量和能量消耗增加，RER 降低，Gas 肌肉呈现暗红色，FTM 向 STM 转变，线粒体氧化呼吸和生物发生改善，脂质代谢相关基因表达增加，血清和 Gas 组织中甘油三酯、总胆固醇水平降低。机制上，daminozide 不影响 Kdm2a 表达，但上调 H3K36me2 水平，增强 Esrrg mRNA 表达和蛋白水平，促进其内含子剪接。这表明 daminozide 能重塑骨骼肌代谢模式，增强能量消耗，对抗代谢应激，支持 Kdm2a 作为临床对抗代谢应激的可行靶点。

研究结论

本研究利用 Kdm2a 敲除小鼠模型和 KDM2A 抑制剂 daminozide，揭示了 Kdm2a 介导的 H3K36me2 去甲基化在 FTM-STM 转变和重塑骨骼肌代谢灵活性中的关键作用。Kdm2a 在 FTM 中高表达，与 H3K36me2 水平呈负相关，敲除 Kdm2a 可使小鼠在营养过剩时优先消耗脂质，在正常饮食时优先消耗葡萄糖，这种代谢灵活性的改善通过调节 Esrrg RNA 剪接诱导 FTM 向 STM 转变实现。

代谢灵活性与人体维持代谢稳态的能力密切相关，本研究表明 H3K36me2 水平是调节骨骼肌代谢灵活性的关键因素。Kdm2aSKO 小鼠在不同饮食条件下能量消耗底物的切换，体现了骨骼肌代谢灵活性的重要性，为理解代谢性疾病的发病机制提供了新的理论依据。

此外，组蛋白修饰在骨骼肌代谢调节中具有重要作用，本研究发现 Kdm2a 缺失通过影响 H3K36me2 水平调节 Esrrg RNA 剪接，丰富了对组蛋白甲基化在骨骼肌代谢中作用的认识。同时，研究提示 Kdm2a 可作为治疗代谢性疾病的潜在靶点，为开发针对肥胖、胰岛素抵抗等代谢性疾病的新型治疗策略提供了方向，有望在临床代谢性疾病的干预和管理中发挥重要作用，具有重要的理论和实践意义。