肌酸激酶B通过调控糖酵解和新生脂肪生成通路控制脂肪细胞分化过程中的脂质积累

《Cell Reports》：Creatine kinase B regulates glycolysis and de novo lipogenesis pathways to control lipid accumulation during adipogenesis

本研究揭示了肌酸激酶B(CKB)在白色脂肪细胞分化中的关键调控作用。研究人员发现CKB通过结合AKT并精细调控胰岛素信号通路，进而抑制mTORC1-ChREBP轴活性和糖酵解通量，最终限制新生脂肪生成(DNL)。该研究阐明了CKB作为代谢"闸门"分子在维持脂肪组织代谢稳态中的新机制，为肥胖和相关代谢疾病的治疗提供了新靶点。

　　

在当今全球肥胖流行的大背景下，白色脂肪组织(WAT)的功能失调已成为代谢性疾病的核心环节。脂肪组织不仅是能量储存器官，更是重要的内分泌器官，其功能异常直接导致2型糖尿病(T2D)等代谢性疾病的发生发展。脂肪细胞分化（adipogenesis）过程中，细胞需要经历复杂的代谢重编程，才能从前体细胞转变为成熟的脂肪细胞，具备储存甘油三酯(TG)的能力。然而，这一过程中代谢感应与转录调控的精确协调机制，特别是如何控制脂质积累的分子开关，至今仍是未解之谜。

传统研究主要聚焦于转录因子级联反应（如C/EBP和PPARγ），而对代谢重塑如何驱动脂肪生成的认识仍不充分。新生脂肪生成(DNL)作为将碳水化合物转化为脂肪酸的关键代谢途径，在脂肪细胞分化中扮演着重要角色。有趣的是，DNL在不同组织中表现出截然不同的代谢效应：在肝脏中促进胰岛素抵抗，而在脂肪组织中则具有保护作用。这种组织特异性调控的分子基础亟待阐明。

在这项发表于《Cell Reports》的研究中，Gianluca Renzi等研究人员通过整合转录组学和蛋白质组学分析，意外发现肌酸激酶系统在人类脂肪细胞分化过程中发生显著变化。肌酸激酶B(CKB)和线粒体肌酸激酶2(CKMT2)在分化后期被特异性上调，且这一过程受到甲状腺激素(T3)的直接调控。这一发现将经典的细胞能量缓冲系统与脂肪生成代谢调控联系起来，开启了新的研究方向。

研究人员采用多学科交叉的研究方法，主要包括：人类原代前脂肪细胞体外分化模型、单细胞转录组测序分析、空间转录组技术、CRISPR-Cas9基因编辑系统、小干扰RNA(siRNA)基因沉默技术、蛋白质免疫印迹(Western blot)、免疫共沉淀(Co-IP)、海马能量代谢分析、靶向代谢组学以及放射性标记代谢通量测定等。研究使用了来自人类皮下脂肪组织的原代细胞和临床样本，以及脂肪组织特异性Ckb基因敲除小鼠模型。

Temporal induction of creatine kinases reflects metabolic reprogramming during adipogenesis

研究人员首先通过分析FANTOM5联盟的时间分辨转录组数据，发现人类白色前脂肪细胞分化过程中存在显著的代谢重编程。KEGG富集分析显示，在分化第12天(D12)，氨基酸相关通路特别是精氨酸-脯氨酸代谢通路显著富集。在该通路中，CKB和CKMT2成为分化过程中上调最显著的基因之一。蛋白质组学数据进一步证实，CKB和CKMT2在蛋白水平上也呈现持续性增加，且这一上调主要发生在分化后期（D5之后）。机制研究表明，T3是驱动肌酸激酶表达的关键因素，急性T3刺激足以诱导CKB和CKMT2的mRNA表达。人类脂肪组织空间转录组分析显示，CKB和CKMT2表达主要富集于成熟脂肪细胞，而在前体细胞中表达较低。

Silencing of CKB enhances triglyceride accumulation via DNL without altering adipogenesis

通过脂质纳米颗粒递送小干扰RNA(siRNA)特异性沉默CKB和CKMT2，研究人员发现虽然两者敲低都不影响脂肪细胞分化标志物（如ADIPOQ和PPARγ）的表达，但CKB特异性缺失显著增加了细胞内脂质积累，表现为BODIPY染色强度和脂滴面积增加，以及甘油三酯(TG)积累增多。临床相关性分析显示，CKB（而非CKMT2）mRNA水平与脂肪细胞体积呈负相关，且这一相关性独立于体重指数(BMI)。RNA-seq分析表明，CKB敲低特异性上调DNL相关通路，而CKMT2敲低无此效应。功能实验证实，CKB缺失通过增加胰岛素刺激的脂肪生成和细胞内棕榈酸水平促进DNL。相反，通过dCas9-VPR系统过表达CKB可抑制DNL基因表达和脂质积累。在脂肪细胞特异性Ckb敲除小鼠(Ckb^AdipoCre)中，高脂饮食(HFD)喂养6周后，腹股沟白色脂肪组织(iWAT)中DNL相关基因表达显著诱导，而附睾脂肪组织(eWAT)中无此现象，表明CKB的调控作用具有脂肪 depot 特异性。

CKB depletion drives ChREBP-mediated lipogenesis through enhanced glycolytic flux

鉴于葡萄糖是DNL的主要碳源，研究人员进一步探讨了CKB调控脂质合成的代谢机制。CKB敲低脂肪细胞显示SLC2A4（编码葡萄糖转运蛋白GLUT4）表达增加，提示葡萄糖流入增强。海马能量代谢分析表明，CKB缺失细胞细胞外酸化率(ECAR)显著增加，表明糖酵解通量增强，而氧消耗率(OCR)无变化，说明这种代谢重编程特异于糖酵解而非线粒体氧化磷酸化。靶向代谢组学显示，CKB敲低细胞中糖酵解中间产物（如果糖-6-磷酸(F6P)、木酮糖-5-磷酸(X5P)、丙酮酸和乳酸）显著积累。特别值得注意的是，X5P的升高提示碳水化合物反应元件结合蛋白(ChREBP)可能被激活。Western blot结果显示，CKB敲低细胞中转录活性更强的35 kDa ChREBP异构体显著增加。功能挽救实验表明，敲低MLXIPL（编码ChREBP）可完全逆转CKB缺失引起的DNL靶基因上调和脂质积累。使用糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖(2-DG)处理可正常化CKB敲低细胞的葡萄糖摄取，并逆转ChREBP蛋白积累、DNL基因表达和脂质积累，证实糖酵解通量增加是ChREBP激活和脂质生成的上游驱动因素。

CKB depletion is linked to elevated mTORC1 signaling

为阐明CKB限制糖酵解通量的上游机制，研究人员首先评估了经典的肌酸(Cr)-磷酸肌酸(PCr)穿梭系统。虽然CKB敲低细胞显示PCr/Cr比值增加，但外源性PCr补充未能改变DNL相关基因表达，排除了PCr介导的机制。尽管CKB缺失细胞中ATP水平升高且AMPK磷酸化降低，但AMPK激动剂PF-739处理不能完全逆转DNL基因表达。相反，CKB敲低导致mTORC1下游靶点P70S6K磷酸化增加，而mTORC1抑制剂雷帕霉素处理可显著降低P70S6K磷酸化、DNL相关基因表达和脂质积累。进一步排除了支链氨基酸(BCAA)信号通路的作用后，研究人员将目光投向PI3K-AKT通路。

CKB regulates DNL via AKT fine-tuning

免疫共沉淀实验证实CKB与AKT存在物理相互作用。CKB敲低显著增加AKT磷酸化水平，而AKT抑制剂MK-2206处理或胰岛素剥夺可完全逆转CKB缺失引起的P70S6K磷酸化增加、ChREBP蛋白积累、DNL相关基因上调和脂质积累。胰岛素饥饿和再刺激实验进一步证实，CKB敲低细胞的脂质生成表型依赖于胰岛素信号。时序分析显示，CKB缺失首先引发AKT磷酸化，随后增强糖酵解活性和乳酸产生。最后，在CKB敲低细胞中重新表达CKB可逆转AKT磷酸化增加和ChREBP蛋白积累，并挽救脂质生成表型。

本研究系统阐明了CKB-AKT-ChREBP调控轴在脂肪细胞分化过程中的核心作用。CKB通过直接结合AKT并限制其磷酸化，进而抑制mTORC1活性和糖酵解-ChREBP驱动的脂肪生成。这一发现不仅揭示了肌酸代谢与营养感应转录调控之间的新型联系，还为理解不同脂肪 depot 在代谢疾病中的差异性提供了分子解释。特别是在肥胖状态下，CKB下调可能是脂肪组织应对胰岛素抵抗的一种代偿机制，但也可能在不适宜的代谢环境下加剧脂肪功能障碍。

研究局限性在于现有小鼠模型中Ckb缺失同时影响多种代谢参数，难以分离其在脂肪细胞谱系定型与成熟脂肪细胞功能中的特异性作用。此外，不同脂肪 depot 中DNL能力及其调控的差异机制仍需进一步探索。未来研究需要利用诱导型、祖细胞靶向 approach（如PdgfraCreERT2）更精确地解析CKB在脂肪发育与维持中的时空特异性功能。

这项研究的重要意义在于将CKB定位为连接细胞能量代谢与胰岛素信号通路的关键分子"闸门"，为开发针对肥胖和相关代谢疾病的新治疗策略提供了潜在靶点。通过精细调控CKB活性，可能实现选择性增强代谢有利脂肪 depot 的脂质储存能力，同时限制内脏脂肪积累，从而改善全身代谢健康。