伴侣分子介导的自噬调控棕色脂肪组织产热活性及其在衰老相关代谢疾病中的治疗潜力

《SCIENCE ADVANCES》：Chaperone-mediated autophagy controls brown adipose tissue thermogenic activity

本研究揭示了伴侣分子介导的自噬（CMA）在棕色脂肪组织（BAT）产热激活中的关键作用。研究人员发现，在冷暴露或β-肾上腺素能刺激下，BAT中CMA被特异性诱导，而巨自噬被抑制。通过基因敲低LAMP2A（CMA限速组分）和药理学激活CMA，证实CMA通过降解产热抑制因子（如Pdgrfb、Aebp1等）来维持BAT的产热、代谢和分泌功能。在衰老小鼠中，激活CMA可恢复BAT活性，表明CMA是治疗年龄相关性代谢疾病的有前景靶点。该研究发表于《SCIENCE ADVANCES》。

　　

在对抗肥胖、2型糖尿病和心血管疾病的斗争中，活跃的棕色脂肪组织（BAT）被视为一个充满希望的盟友。与储存能量的白色脂肪不同，BAT通过非颤抖产热消耗能量，其活性与代谢健康呈正相关。然而，随着年龄增长，BAT功能逐渐衰退，其产热能力下降，这被认为是老年易患慢性代谢性疾病的重要因素之一。因此，探寻维持和激活BAT功能的机制，成为代谢研究领域的热点。长期以来，细胞自噬——细胞内部的“清道夫”系统——在脂肪组织可塑性中的作用备受关注，但其中一种更为精细的选择性自噬形式——伴侣分子介导的自噬（Chaperone-mediated autophagy, CMA）——在BAT中的作用却一直是个谜。

为了回答这个问题，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》上发表了他们的最新发现。他们的研究揭示，CMA是BAT响应产热激活而被特异性诱导的关键过程，它通过选择性降解细胞内抑制产热的“刹车”蛋白，来精确调控BAT的活性。这一发现不仅深化了我们对BAT生物学调控的理解，更重要的是，为治疗年龄相关性代谢功能障碍提供了新的潜在靶点。

为了开展这项研究，研究人员综合运用了多种关键技术方法。他们利用RNA测序（RNA-seq）和单核RNA测序（snRNA-seq）分析了不同条件下小鼠脂肪组织的转录组变化，并计算了CMA活性评分。他们使用了表达KFERQ-Dendra报告基因的转基因小鼠模型，通过荧光成像直接可视化和定量体内CMA活性。研究还涉及了在体（通过腺相关病毒AAV8介导的BAT局部基因敲低）和离体（棕色脂肪细胞培养模型）的基因功能缺失（LAMP2A敲低）和功能获得（使用小分子化合物CA77.1/CA77激活CMA）实验。此外，研究人员通过蛋白质组学分析比较了CMA缺陷细胞与对照细胞的蛋白质表达谱，并利用海马能量代谢分析系统测定了细胞的耗氧率和细胞外酸化率以评估代谢功能。对小鼠的整体能量代谢监测则通过Promethion核心代谢笼系统完成。

CMA在BAT产热激活和白色脂肪组织（WAT）米色化诱导中被激活

研究人员首先通过转录组分析发现，在冷暴露（4°C，24小时）后，小鼠BAT和内脏白色脂肪组织（eWAT）中的CMA评分显著升高，而在肝脏中无变化。利用单核RNA测序数据进一步证实，这种CMA的诱导特异性地发生在棕色脂肪细胞中。为了直接验证CMA活性的变化，他们使用了KFERQ-Dendra报告基因小鼠，发现在冷暴露后，BAT中红色荧光斑点（代表CMA活性）的数量显著增加，直观地证明了产热激活确实导致了CMA活性的增强。

产热激活诱导BAT中LAMP2A表达

由于LAMP2A（L2A）是CMA的限速组分，研究人员深入探究了其表达调控。他们发现，随着环境温度从热中性（30°C）降至室温（21°C）再到冷环境（4°C），BAT中Lamp2A的mRNA水平逐步升高，而当小鼠从冷环境重新适应热中性环境后，其表达则下降。L2A蛋白水平也在冷暴露后显著增加，与产热标志物UCP1的诱导同步。此外，用β3-肾上腺素能受体激动剂CL316,243处理小鼠或直接用去甲肾上腺素（NE）及其下游信使cAMP处理培养的棕色脂肪细胞，都能诱导Lamp2A的表达和L2A蛋白水平的升高，表明这种诱导是细胞自主的，且由cAMP信号通路介导。

化学增强CMA可激活老年小鼠的BAT功能

衰老伴随着BAT功能的自然衰退。本研究发现，从5月龄（成年）到15月龄（老年），雄性小鼠BAT中的CMA评分和L2A蛋白水平均显著下降。为了验证恢复CMA是否能逆转年龄相关的BAT功能衰退，研究人员给18月龄的小鼠连续5个月口服CMA激活剂CA77.1。结果发现，与 Vehicle 处理的老年小鼠相比，CA77.1处理组小鼠的BAT表现出更小的脂滴、L2A蛋白水平升高，以及多种产热和代谢相关基因（如Dio2, Cpt1b, Cox4i1等）转录水平的上调。这表明药理学激活CMA可以有效改善老年小鼠的BAT活性。

CMA激活增强棕色脂肪细胞的产热活性

在细胞水平上，使用CMA激活剂CA77处理分化的棕色脂肪细胞，发现在cAMP刺激下，CMA的激活能进一步强化产热（Ucp1）、代谢（Ppargc1a, Cpt1b）和棕色脂肪因子（Fgf21, Gdf15, IL6）相关基因的表达，并抑制白色脂肪特征基因Leptin的表达。在功能上，CA77处理增强了cAMP诱导的线粒体耗氧率（OCR）、细胞外酸化率（ECAR，提示糖酵解增强）以及甘油释放（提示脂解作用增强）。这些结果综合表明，CMA激活能全面增强棕色脂肪细胞的产热、代谢和分泌功能。

L2A基因敲低抑制棕色脂肪细胞的产热活性

作为反向验证，研究人员通过短发夹RNA（shRNA）敲低棕色脂肪细胞中的Lamp2A（L2A-KD）。尽管L2A-KD细胞的形态分化未受显著影响，但其产热功能严重受损。与CMA激活的效果相反，L2A-KD细胞表现出UCP1蛋白水平大幅降低、棕色脂肪因子（Fgf21, Gdf15）分泌减少，而Leptin的分泌增加。功能上，L2A-KD细胞的基线耗氧率、细胞外酸化率和甘油释放均显著降低。这从反面证实了CMA对于维持棕色脂肪细胞正常产热活性是必不可少的。

CMA阻断对基础和cAMP刺激下棕色脂肪细胞蛋白质组的影响

为了揭示CMA调控的分子机制，研究人员对对照组和L2A-KD棕色脂肪细胞进行了定量蛋白质组学分析。在基础状态下，L2A-KD导致387种蛋白质丰度升高，290种降低。通路富集分析显示，积累的蛋白质与内质网蛋白质折叠、肌动蛋白骨架重塑等有关，而减少的蛋白质则富集于线粒体组织和功能、脂代谢等通路。特别重要的是，在cAMP刺激下，对照组细胞中有一组蛋白质的水平会下降，而这一下降过程在L2A-KD细胞中却未能发生。这些蛋白质可能正是cAMP激活产热时需要被CMA降解的靶点。进一步分析发现，在L2A-KD细胞中积累的蛋白质包括多个已知的BAT产热抑制因子，如Pdgrfb（促进白色vs棕色表型）和Aebp1（负调控适应性产热）。研究人员通过免疫印迹验证了这两种蛋白在L2A-KD细胞中的积累。生物信息学分析还预测，许多在L2A-KD细胞中上调蛋白的编码基因受一批转录因子调控，其中超过80%含有KFERQ样基序，提示它们本身也可能是CMA的底物。作为概念验证，敲低Aebp1增强了cAMP诱导的产热基因表达和UCP1蛋白水平，这与L2A-KD的效果相反，支持了CMA通过降解Aebp1等抑制因子来促进产热的模型。

体内LAMP2A敲低抑制BAT活性并促进产热抑制因子积累

最后，研究团队通过向小鼠肩胛间BAT（iBAT）局部注射携带Lamp2A shRNA的AAV8病毒，实现了BAT特异性的L2A敲低。与对照组相比，L2A-KD小鼠的BAT出现脂质积累增加、脂滴变大、耗氧量降低。在经历24小时冷暴露后，L2A-KD小鼠的血液甘油三酯水平显著升高，提示BAT清除脂质的能力受损。同时，其BAT中UCP1和Fgf21蛋白水平下降，而Pdgrfb和Aebp1蛋白水平上升。这些体内实验数据完美地印证了细胞实验的发现，确证了CMA在维持整体能量代谢稳态中的关键作用。

综上所述，这项研究清晰地表明，CMA是BAT响应产热刺激而被激活的一条关键降解通路，其作用与巨自噬在此时被抑制形成鲜明对比。CMA的激活对于BAT实现其产热、代谢和分泌功能至关重要，其机制至少部分是通过选择性降解诸如Pdgrfb、Aebp1等一系列细胞内产热抑制因子来实现的。在衰老过程中，CMA活性的下降是导致BAT功能衰退的重要原因之一，而药理学增强CMA则能够有效恢复老年动物的BAT活性。这项工作不仅首次阐明了CMA在BAT生物学中的核心地位，揭示了其通过“去抑制”机制精细调控产热的新范式，更重要的是，它将CMA确立为一个极具潜力的治疗靶点，为开发通过激活BAT来对抗年龄相关性肥胖、糖尿病等代谢疾病的新策略提供了坚实的理论基础和实验依据。