RNase P来源的tRFSer-GCT通过靶向Adrb2信号通路调控脂肪细胞脂质沉积的机制研究

《Journal of Biomechanics》：RNase P generated tRFSer-GCT promotes fat storage in adipocytes via Adrb2 signaling

本研究揭示了线粒体来源的tsRNA（tRNA-derived small RNA）tRFSer-GCT在脂肪形成中的新机制。研究人员通过多组学分析和功能实验证实，RNase P复合体（Trmt10c/Hsd17b10/Prorp）介导的tRFSer-GCT通过直接靶向Adrb2（β2-肾上腺素能受体）促进脂肪生成和脂质积累。该发现为肥胖相关代谢疾病的调控提供了新的表观遗传视角和治疗靶点。

　　

在代谢调控研究领域，脂肪组织的形成和功能调控一直是科学家关注的焦点。随着肥胖及相关代谢性疾病全球流行率的持续上升，深入探究脂肪细胞分化和脂质沉积的分子机制显得尤为重要。近年来，一类新型的非编码RNA——tRNA来源的小片段RNA（tsRNAs）逐渐进入研究视野，这些由tRNA通过特定方式切割产生的小分子被发现参与多种生物学过程的调控，包括代谢平衡的维持。然而，tsRNAs在脂肪组织中的作用，特别是其在不同类型脂肪组织中的表达特征和功能机制，仍存在大量未知。

以往研究表明，tsRNAs在不同应激条件下表达量会显著上升，并在转录前后水平调控基因表达。特别是在代谢领域，已有研究发现某些tsRNAs能够影响脂肪生成过程，例如tsRNA-06018被报道可促进脂肪细胞分化。但关于线粒体来源的tsRNAs在脂肪代谢中的作用，尤其是其生成机制和具体靶标，尚未有系统研究。这促使研究人员对脂肪组织中的tsRNAs进行深入探索。

在这项发表在《Journal of Biomechanics》的研究中，研究人员通过对小鼠不同类型脂肪组织（棕色脂肪组织BAT、性腺白色脂肪组织gWAT和腹股沟白色脂肪组织iWAT）进行tsRNA测序分析，发现了一种线粒体来源的tsRNA——tRF^Ser-GCT，其在BAT中显著富集，且表达水平与线粒体含量呈正相关。进一步研究发现，tRF^Ser-GCT在脂肪细胞分化过程中表达逐渐升高，并在代谢激活条件下进一步上调，提示其可能参与脂肪形成和脂质代谢调控。

为了探究tRF^Ser-GCT的功能，研究人员在3T3-L1前脂肪细胞中过表达该分子，发现其能够显著促进脂肪生成相关基因（PPARγ、C/EBPα、FABP4等）的表达，增加细胞内甘油三酯（TG）和非酯化脂肪酸（NEFA）含量，并促进脂滴形成。相反，抑制tRF^Ser-GCT的表达则削弱了脂肪细胞的分化能力。

在机制层面，研究人员发现tRF^Ser-GCT是由线粒体RNase P复合体（由Trmt10c、Hsd17b10和Prorp三个亚基组成）通过对线粒体tRNA^Ser-GCT的切割而产生。其中，Hsd17b10亚基对tRF^Ser-GCT的生物生成至关重要。通过RNA免疫共沉淀和分子对接实验，研究人员证实了Hsd17b10与tRNA^Ser-GCT的直接结合关系。

进一步研究发现，tRF^Ser-GCT通过直接靶向Adrb2（Adrenoceptor Beta 2）的3'UTR区域，抑制其表达，从而促进脂肪生成。Adrb2作为重要的代谢调节因子，其表达水平与脂肪形成呈负相关。实验证实，敲低Adrb2能够模拟tRF^Ser-GCT过表达的效果，促进脂肪细胞分化和脂质积累。

在动物实验中，研究人员利用高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型，通过AAV病毒介导的Hsd17b10敲低和tRF^Ser-GCTagomir恢复实验，证实了tRF^Ser-GCT在体内同样通过Hsd17b10-Adrb2轴调控脂肪组织积累。Hsd17b10缺陷小鼠表现出体重增加减少和脂肪组织重量降低，而恢复tRF^Ser-GCT表达能够部分挽救这些表型。

本研究主要采用了tsRNA测序和生物信息学分析、细胞培养和诱导分化、基因过表达和RNA干扰、荧光原位杂交（FISH）、RNA免疫共沉淀（RIP）、双荧光素酶报告基因检测、蛋白质-RNA分子对接、Northern blot、Western blot、组织学染色（油红O、BODIPY、H&E）、qRT-PCR以及小鼠模型实验等技术方法。实验中使用的小鼠样本来自C57BL/6品系，通过高脂饮食诱导肥胖模型。

1. tsRNA在不同小鼠脂肪组织中的表达特征

研究人员通过tsRNA测序分析了BAT、gWAT和iWAT中的tsRNA表达谱，发现这些组织具有不同的tsRNA表达模式。BAT中富含约22nt的tsRNAs（主要对应tRF-5片段），而gWAT和iWAT中 longer tsRNAs（约31nt，对应tRF-3片段）比例较高。氨基酸来源分析显示，甘氨酸（Gly）tRNA来源的tsRNAs在所有脂肪组织中最丰富，其次是丝氨酸（Ser）、谷氨酸（Glu）和缬氨酸（Val）tRNA来源的tsRNAs。特别值得注意的是，BAT和iWAT中的tsRNAs主要来源于Ser-tRNAs，而gWAT中则富含Gly-tRNA来源的tsRNAs。亚型分布分析显示，tRF-5b是BAT中最主要的亚型，而tRF-5c在gWAT和iWAT中占主导地位。

2. tRF^Ser-GCT的鉴定和线粒体特征分析

通过差异表达分析，研究人员发现tRF^Ser-GCT在BAT中显著富集，且是唯一在所有比较中重叠的tsRNA。该分子与线粒体DNA（mtDNA）拷贝数在不同脂肪组织和饮食条件下表现出高度一致的变化趋势。在3T3-L1细胞分化过程中，tRF^Ser-GCT表达与mtDNA同步增加。棕榈酸（PA）处理激活脂肪代谢后，tRF^Ser-GCT表达显著上调。FISH实验证实tRF^Ser-GCT部分定位于线粒体。

3. RNase P调控tRF^Ser-GCT的表达

研究发现tRF^Ser-GCT来源于线粒体tRNA^Ser-GCT的5'端，长度为29nt，属于tRF-5c类别。RNase P三个亚基（Trmt10c、Hsd17b10、Prorp）在脂肪细胞分化过程中表达均上调。敲低任一亚基均降低tRF^Ser-GCT水平，而过表达Hsd17b10或Trmt10c则增加其表达。Hsd17b10敲低对脂肪细胞脂质代谢影响最为显著，且该亚基与tRNA^Ser-GCT存在直接结合。

4. tRF^Ser-GCT在调控3T3-L1细胞脂肪生成中的功能作用

过表达tRF^Ser-GCT显著上调脂肪生成相关基因（FABP4、FASN、SREBP-1C、PPARγ）表达，增加PPARγ和C/EBPα蛋白水平，促进脂滴形成和TG、NEFA积累。同时，tRF^Ser-GCT过表达还增加mtDNA拷贝数和线粒体含量。

5. tRF^Ser-GCT通过靶向Adrb2促进脂肪生成

RNA-seq分析发现tRF^Ser-GCT过表达影响96个基因表达，KEGG和GO分析显示这些基因富集于代谢通路、甘油脂代谢、脂肪酸代谢等过程。通过靶点预测和验证，研究人员发现Adrb2是tRF^Ser-GCT的直接靶标。双荧光素酶报告实验证实tRF^Ser-GCT通过结合Adrb2的3'UTR抑制其表达。敲低Adrb2促进脂肪细胞分化和脂质积累，模拟了tRF^Ser-GCT过表达的表型。

6. tRF^Ser-GCT通过Hsd17b10-Adrb2轴调控体内脂肪组织积累

体内实验表明，Hsd17b10敲低小鼠体重增加减少，脂肪组织重量降低，而恢复tRF^Ser-GCT表达部分挽救这些表型。组织学分析显示Hsd17b10敲低减小脂肪细胞大小，降低肝脂质积累，而tRF^Ser-GCT恢复部分逆转这些变化。分子水平上，Hsd17b10敲低降低PPARγ、C/EBPα、ATGL表达，增加Adrb2水平，而tRF^Ser-GCT恢复逆转这些变化。

本研究系统阐明了线粒体来源的tRF^Ser-GCT在脂肪形成中的重要作用及其调控机制。研究发现tRF^Ser-GCT通过RNase P复合体（特别是Hsd17b10亚基）切割产生，通过直接靶向Adrb2抑制其表达，从而促进脂肪细胞分化和脂质积累。这一Hsd17b10/tRF^Ser-GCT/Adrb2调控轴的发现，不仅丰富了我们对tsRNA功能的认识，也为肥胖和相关代谢疾病的治疗提供了新的潜在靶点。

从更广泛的意义来看，这项研究揭示了线粒体与细胞代谢调控之间的新联系，表明线粒体不仅作为能量工厂，还通过产生调控性RNA分子参与细胞命运决定。tRF^Ser-GCT作为线粒体与核基因表达调控之间的信使，为理解细胞器间通讯提供了新视角。此外，该研究也为开发基于tsRNA的代谢疾病治疗策略奠定了理论基础，未来可能通过调控tRF^Ser-GCT水平来实现对脂肪代谢的精准干预。

需要注意的是，虽然本研究取得了重要发现，但tRF^Ser-GCT是否还通过其他机制参与代谢调控，以及其在人类肥胖中的具体作用，仍需进一步探究。此外，RNase P各亚基在tRF^Ser-GCT生成中的具体分工和调控机制也有待深入解析。这些问题的解答将进一步完善我们对tsRNA在代谢调控中作用的理解，并为相关疾病的防治提供更多线索。