脂肪细胞FMO3-TMAO轴通过激活炎症小体诱导衰老相关白色脂肪组织功能障碍和代谢紊乱

《Nature Communications》：Adipocyte FMO3-derived TMAO induces WAT dysfunction and metabolic disorders by promoting inflammasome activation in ageing

本研究揭示了衰老过程中脂肪细胞源性TMAO（三甲胺氧化物）通过激活炎症小体导致代谢紊乱的新机制。研究人员发现衰老或p53激活会上调脂肪细胞中FMO3（含黄素单加氧酶3）表达和TMAO水平，通过构建脂肪细胞特异性FMO3敲除小鼠模型，证实抑制该通路可改善衰老和肥胖小鼠的葡萄糖代谢、能量平衡和脂肪功能，其作用机制为TMAO直接结合炎症小体衔接蛋白ASC促进caspase-1活化和IL-1β产生。该发现为衰老相关代谢疾病的防治提供了新靶点。

　　

随着全球人口老龄化进程加速，衰老相关代谢性疾病已成为重大公共卫生问题。衰老以慢性炎症和细胞衰老为特征，是2型糖尿病等心脑血管疾病的主要危险因素。白色脂肪组织（WAT）作为重要的内分泌器官，在维持全身能量和葡萄糖稳态中发挥关键作用。然而，衰老过程中白色脂肪组织功能衰退的具体机制尚未完全阐明。

近年来，肠道微生物群代谢产物在代谢调控中的作用备受关注。其中，三甲胺N-氧化物（TMAO）作为肠道微生物-宿主共代谢产物，已被证明与心血管代谢疾病密切相关。传统观点认为，肝脏是TMAO产生的主要场所，肝脏中的含黄素单加氧酶3（FMO3）负责将肠道微生物产生的三甲胺（TMA）转化为TMAO。然而，衰老过程中TMAO水平升高的具体来源及其在脂肪组织功能障碍中的作用仍不清楚。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，研究团队揭示了脂肪细胞自身表达的FMO3在衰老过程中上调，并通过产生TMAO诱导白色脂肪组织功能障碍和代谢紊乱的新机制。

关键技术方法

本研究综合利用多种技术方法：通过脂肪细胞特异性FMO3基因敲除小鼠模型研究其在衰老和肥胖代谢表型中的作用；采用蛋白质组学技术（LiP-SMap）鉴定TMAO结合蛋白；利用细胞模型（3T3-L1、SGBS和人脂肪间充质干细胞来源的脂肪细胞）验证分子机制；通过DARTS分析证实TMAO与ASC蛋白的直接相互作用；临床样本分析包括人类皮下白色脂肪组织RNA测序数据和TMAO水平检测。

成熟脂肪细胞通过FMO3合成TMAO

研究人员首先发现，除了肝脏外，白色脂肪组织（WAT）和棕色脂肪组织（BAT）同样表达FMO3并具有TMAO合成能力。虽然脂肪组织中Fmo3 mRNA表达水平仅为肝脏的1%，但FMO3蛋白表达量却达到肝脏水平的30%-60%。体外实验表明，脂肪组织外植体能够将d9-TMA转化为d9-TMAO，且成熟脂肪细胞的FMO3表达水平和TMAO合成能力均高于基质血管组分（SVF）细胞。

通过构建脂肪细胞特异性FMO3敲除（Adipo-FMO3 KO）小鼠模型，研究人员证实脂肪细胞是脂肪组织中TMAO的主要来源。Adipo-FMO3 KO小鼠脂肪组织中FMO3表达和TMAO合成能力显著降低，且衰老过程中循环TMAO水平的升高主要源于脂肪细胞FMO3活性的增加。

衰老过程中脂肪组织FMO3和TMAO表达上调

对公共数据库和实验数据的分析显示，衰老过程中脂肪组织FMO3表达和TMAO水平显著上调。27月龄小鼠的BAT、eWAT和mWAT中Fmo3 mRNA表达增加，24月龄小鼠的eWAT和sWAT中FMO3蛋白水平和TMAO含量均升高，而肝脏中未见明显变化。人类研究同样显示，老年受试者（60-85岁）皮下脂肪组织中FMO3 mRNA和TMAO水平均高于年轻受试者（20-35岁），且TMAO水平与年龄呈正相关。

值得注意的是，热量限制这一已知的抗衰老干预措施能够降低人类脂肪组织中FMO3的表达，提示FMO3-TMAO轴在衰老相关的脂肪组织功能障碍中扮演重要角色。

p53激活诱导脂肪细胞FMO3表达和TMAO产生

机制研究表明，p53这一著名的衰老相关转录因子直接调控FMO3表达。生物信息学分析发现人类FMO3基因启动子区域存在p53应答元件（RE）。实验证实，p53激活剂（多柔比星和nutlin-3a）处理能够上调3T3-L1脂肪细胞和人源脂肪细胞中FMO3表达和TMAO产生，且这一效应依赖于FMO3活性。动物实验进一步验证，多柔比星诱导的衰老模型中，脂肪组织FMO3表达和TMAO水平升高，而肝脏中无显著变化。荧光素酶报告基因实验证实p53通过直接作用于FMO3启动子区域调控其转录活性。

脂肪细胞特异性FMO3敲除改善衰老诱导的代谢紊乱

功能研究表明，脂肪细胞特异性FMO3敲除可显著改善衰老相关代谢异常。老年Adipo-FMO3 KO小鼠表现出更好的葡萄糖稳态、胰岛素敏感性、能量消耗和脂质利用率，同时血清脂质谱改善，生存期呈现延长趋势。类似地，在高脂饮食诱导的肥胖模型中，FMO3敲除同样改善了葡萄糖耐受性和胰岛素敏感性，降低了脂肪组织炎症和纤维化。

FMO3缺失改善脂肪组织衰老和炎症

进一步分析发现，FMO3敲除的代谢保护作用与改善脂肪组织功能障碍密切相关。RNA测序分析显示，老年KO小鼠脂肪组织中p53相关衰老通路、炎症反应和NF-κB信号通路下调，而脂肪生成和胆固醇稳态通路上调。组织学分析证实，FMO3敲除减少了脂肪组织免疫细胞浸润、M1型巨噬细胞聚集、胶原沉积和细胞衰老标志物表达。同时，炎症小体关键组分（NLRP3、ASC、caspase-1）活化和IL-1β产生均受到抑制。

TMAO通过结合ASC激活炎症小体

分子机制研究表明，TMAO通过直接结合炎症小体衔接蛋白ASC（apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD）促进炎症小体活化。蛋白质组学分析（LiP-SMap）鉴定出ASC是TMAO的结合蛋白之一。DARTS实验证实TMAO以剂量依赖方式保护ASC免于蛋白酶降解，表明两者存在直接相互作用。功能实验显示，TMAO处理增加ASC蛋白表达（而非mRNA水平），并促进caspase-1活化和IL-1β成熟。基因沉默实验证明，PYCARD（编码ASC的基因）敲除完全阻断了TMAO诱导的炎症小体活化。

研究结论与意义

本研究系统阐明了脂肪细胞FMO3-TMAO轴在衰老相关代谢紊乱中的核心作用。研究发现不仅揭示了脂肪组织作为TMAO产生新来源的重要性，还阐明了p53-FMO3-TMAO-炎症小体轴在脂肪组织衰老中的分子机制。特别重要的是，研究首次发现TMAO通过直接结合ASC蛋白促进炎症小体活化，这为理解代谢物如何调控先天免疫应答提供了新视角。

从转化医学角度，该研究为衰老相关代谢性疾病的防治提供了潜在新靶点。针对脂肪组织FMO3的特异性抑制剂，可能成为治疗年龄相关胰岛素抵抗、2型糖尿病和血脂异常的新策略。此外，研究还提示监测循环或脂肪组织TMAO水平可能作为评估脂肪组织功能和代谢健康的新型生物标志物。

值得注意的是，本研究发现的p53-FMO3-TMAO正反馈循环（p53激活FMO3表达，FMO3产生TMAO，TMAO进一步促进p53活化和衰老）为理解衰老过程中代谢紊乱的自我放大机制提供了重要线索。这一机制的阐明不仅深化了对脂肪组织衰老分子基础的认识，也为开发针对衰老相关代谢疾病的新型干预策略奠定了理论基础。