果蝇肝样细胞去饱和酶依赖性分泌功能调控饥饿状态下全身脂质代谢的机制研究

《Nature Communications》：Desaturase-dependent secretory functions of hepatocyte-like cells control systemic lipid metabolism during starvation in Drosophila

本研究针对果蝇在长期饥饿状态下脂质代谢调控机制不清的问题，通过构建改良饥饿模型，揭示了肝样细胞（oenocytes）中唯一Δ9去饱和酶Desat1通过调控胰岛素拮抗因子ImpL2的分泌，进而抑制脂肪体（fat body）中bmm脂酶表达、维持甘油三酯（TAG）储存并促进饥饿耐受性的新机制。该研究发表于《Nature Communications》，为理解器官间代谢对话及人类代谢综合征治疗提供了新视角。

　　

在生物体应对饥饿胁迫的过程中，器官间的协同调控对于维持全身能量稳态至关重要。类似于哺乳动物的肝脏，果蝇的肝样细胞（oenocytes）在饥饿期间会异常积累脂质，但其与机体主要脂质储存库——脂肪体（fat body）之间的通讯机制尚不明确。此外，饥饿引发的循环脂质组变化及其调控规律也有待深入解析。这些问题阻碍了我们对机体代谢适应能力的全面理解。

为了回答这些问题，由Jiayi Li、Kerui Huang、Indira Dibra、Ying Liu、Norbert Perrimon和Matias Simons组成的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。他们利用果蝇模型，揭示了一种由肝样细胞去饱和酶Desat1驱动的分泌机制，该机制在长期饥饿期间通过调控脂肪体的脂解过程，深刻影响着全身的脂质代谢和生存能力。

研究人员首先建立了一种改良的长期饥饿模型，该模型基于无热量 holidic 培养基，使果蝇存活时间显著延长至10天，从而能够细致观察饥饿过程中的代谢动态。通过对全身及血淋巴的脂质组学分析，他们发现饥饿会导致循环脂质（如DAG、PE）的不饱和度及碳链长度增加。值得注意的是，肝样细胞在饥饿早期会积累脂质，而脂肪体则发生脂解，提示两者间存在活跃的脂质交换。

为了探究肝样细胞如何调控这一过程，研究人员重点关注了在肝样细胞中高表达的Δ9去饱和酶Desat1（对应哺乳动物的SCD）。特异性敲低肝样细胞中的Desat1会导致果蝇对饥饿和冷应激的敏感性增加。脂质组学分析进一步显示，Desat1敲低抑制了饥饿诱导的血淋巴脂质不饱和度及链长的增加，并加速了血淋巴中脂蛋白（如载脂蛋白Lpp, apolpp）水平的下降以及全身甘油三酯（TAG）的消耗。这些结果说明Desat1对于肝样细胞在饥饿期间处理并释放脂质至循环系统至关重要。

深入机制探索发现，Desat1敲低导致来自脂肪体的脂蛋白（apolpp 和 Apoltp）在肝样细胞表面异常累积，并伴随皮层肌动蛋白（F-actin）和早期内体标志物Rab5的聚集，提示脂蛋白内吞和后续释放过程受损。通过过表达肌动蛋白解聚因子tsr或敲低LIMK1来降低皮层F-actin水平，可以有效缓解脂蛋白滞留，并部分挽救血淋巴脂蛋白水平、全身TAG储存以及饥饿耐受性，表明皮层细胞骨架动力学在脂蛋白释放中的关键作用。

除了脂质，肝样细胞是否还分泌其他信号分子来协调全身代谢？通过单核RNA测序（snRNA-seq）分析饥饿不同阶段的肝样细胞转录组，并结合分泌蛋白筛选，研究人员将目光投向了胰岛素样生长因子结合蛋白同源物ImpL2（在哺乳动物中为IGFBP7）。肝样细胞特异性敲低ImpL2会加速饥饿死亡和TAG消耗，并上调脂肪体中的主要中性脂肪酶bmm（相当于哺乳动物的ATGL）表达；而过表达ImpL2则产生相反效应，提高饥饿耐受性和TAG储存。这表明肝样细胞来源的ImpL2通过抑制脂肪体脂解来保存能量。进一步实验证实，Desat1敲低同样会损害ImpL2的分泌，而皮层肌动蛋白解聚也能促进其释放，将Desat1的功能与ImpL2的分泌调控联系起来。

研究还探讨了ImpL2的作用机制。作为胰岛素/胰岛素样生长因子信号（IIS）的拮抗剂，ImpL2过表达能诱导Foxo转录因子在脂肪体和肝样细胞中核转位。然而，snRNA-seq数据显示饥饿期间脂肪细胞中bmm上调而另一Foxo靶基因Thor（4EBP）下调，提示存在细胞类型特异性的IIS调控。相应地，在肝样细胞中敲低胰岛素受体（InR）可提高饥饿耐受性和营养储备，而过表达InR则产生不利影响，说明在长期饥饿状态下，肝样细胞中适度的IIS抑制（可能由ImpL2介导）有利于能量保存。

本研究主要应用了以下关键技术：改良的果蝇长期饥饿模型构建、全身及血淋巴脂质组学分析、肝样细胞特异性基因操作（GAL80^ts/UAS和LexA/LexAop系统）、免疫荧光染色与共聚焦显微镜成像（包括FRAP技术）、蛋白质印迹（Western blot）分析血淋巴蛋白、单核RNA测序（snRNA-seq）及生物信息学分析、以及定量PCR（qPCR）和代谢物（TAG、糖原）含量测定。

结果部分简要归纳：

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  脂质组学分析揭示饥饿诱导的循环脂质变化： 研究发现长期饥饿导致果蝇血淋巴中脂质（如DAG、PE）的不饱和度和碳链长度增加。
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  肝样细胞Desat1调控全身脂质代谢和应激耐受： 肝样细胞特异性敲低Desat1导致果蝇对饥饿和寒冷更敏感，并改变血淋巴脂质组成，抑制饥饿诱导的脂质不饱和度增加。
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  Desat1缺陷非自主性促进脂肪体脂解： Desat1敲低导致脂肪体脂解加速（BODIPY染色显示脂滴减少），并上调脂肪体bmm表达。遗传学实验证明，抑制脂肪体bmm能挽救Desat1敲低导致的TAG快速消耗和饥饿敏感性。
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  Desat1缺陷导致肝样细胞表面脂蛋白滞留和肌动蛋白积聚： Desat1敲低引起脂肪体来源的脂蛋白（apolpp, Apoltp）在肝样细胞皮层区积聚，伴随F-actin和Rab5阳性内体增加，表明内吞和后续分泌过程受损。
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  皮层肌动蛋白解聚挽救脂蛋白滞留和相关表型： 在Desat1敲低背景下，过表达tsr或敲低LIMK1以降低F-actin水平，能减轻脂蛋白滞留，并部分恢复血淋巴脂蛋白、全身TAG水平及饥饿耐受性。
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  单核RNA测序鉴定肝样细胞分泌因子ImpL2： snRNA-seq发现ImpL2在饥饿的肝样细胞中上调。肝样细胞是血淋巴ImpL2的重要来源。
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  ImpL2分泌受Desat1和肌动蛋白调控并影响饥饿应答： Desat1敲低损害ImpL2分泌，肌动蛋白解聚可促进其释放。肝样细胞特异性敲低ImpL2增加饥饿敏感性、加速TAG消耗、上调bmm；而过表达ImpL2则产生相反效果，提高生存率。
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  胰岛素信号通路在饥饿应答中的作用： 肝样细胞中抑制InR（模拟ImpL2效应）有利于饥饿耐受性和能量储存，而过度激活InR则不利，提示组织特异性IIS调控在能量平衡中的重要性。

综上所述，这项研究揭示了果蝇肝样细胞在长期饥饿应答中的核心作用。Desat1通过影响肝样细胞的脂质修饰能力和皮层细胞骨架动力学，不仅调控循环脂质组的组成，还通过控制ImpL2等分泌因子的释放，远程抑制脂肪体的脂解活动，从而有效保存机体能量储备，增强饥饿耐受性。该研究不仅深化了对器官间代谢对话机制的理解，而且由于Desat1（SCD）和ImpL2（IGFBP7）在哺乳动物中的保守性，为相关代谢疾病（如胰岛素抵抗、代谢综合征）的研究和治疗策略开发提供了新的思路。考虑到SCD抑制剂在临床试验中的应用，本研究揭示的Desat1缺失的细胞自主与非自主效应也具有重要的转化医学意义。