糖原代谢的多层次转录调控协调雄性小鼠白色脂肪细胞的产热重塑

《Nature Communications》：Multi-layered transcriptional control of glycogen metabolism coordinates thermogenic remodeling of white adipocytes in male mice

本研究针对白色脂肪细胞产热活化过程中糖原代谢的转录调控机制尚不明确的问题，聚焦于β-肾上腺素能信号通路，揭示了PGC1α与雌激素相关受体（ERRs）通过协同调控染色质可及性和基因表达，维持慢性β3-肾上腺素能激活下糖原代谢基因程序的新机制，为理解脂肪组织产热调控网络提供了新视角。

　　

在能量代谢研究领域，产热脂肪（包括棕色脂肪和米色脂肪）通过解偶联蛋白1（UCP1）介导的非颤抖性产热，在机体能量消耗和代谢稳态维持中扮演着关键角色。当机体受到寒冷刺激或β-肾上腺素能受体激活时，皮下白色脂肪组织中的白色脂肪细胞能够发生“米色化”，获得类似棕色脂肪细胞的产热特征。这一过程经典地由cAMP-PKA-CREB-PGC1α信号轴驱动。然而，近年来的研究发现，除了线粒体生物发生和氧化代谢，其他代谢途径也深度整合于产热程序之中。其中，糖原代谢的作用逐渐浮出水面。此前的研究表明，慢性β-肾上腺素能刺激能促进皮下脂肪细胞中糖原的合成与周转，这种动态的糖原代谢流对于产热基因（如UCP1）的表达至关重要，它通过产生活性氧（ROS）激活p38 MAPK信号通路来发挥作用。尽管糖原代谢在脂肪组织米色化中的功能已被初步揭示，但一个核心的科学问题仍未得到解答：在脂肪细胞中，β-肾上腺素能信号是如何精确调控糖原代谢相关基因的转录程序？特别是在急性刺激和慢性激活的不同阶段，这一调控是如何启动并得以维持的？

为了回答这些问题，来自美国加州大学圣地亚哥分校等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。研究人员综合运用了动物模型（包括组织特异性基因敲除小鼠）、细胞培养、RNA测序（RNA-seq）、染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）、转座酶可及染色质测序（ATAC-seq）、报告基因分析以及药理学干预等多种关键技术方法。研究中使用了来自C57BL/6J背景的多种基因工程小鼠模型，并分析了人类脂肪组织基因表达数据库（adiposetissue.org）的相关数据。

β₃肾上腺素能受体激活以细胞自主方式调控糖原代谢基因

研究人员首先通过分析RNA测序数据，发现无论是慢性冷暴露还是β₃-肾上腺素能受体激动剂CL-316,243（CL）处理7天，均能显著诱导小鼠腹股沟白色脂肪组织（iWAT）中糖原合成与降解相关基因（如Gys1, Gys2, Pygl, Ppp1r3c, Agl）的表达。时间进程分析显示，Gys2和Ppp1r3c的mRNA在单次CL注射后24小时内即被快速且选择性诱导，而Pyg1的上调则出现较晚。体外实验证实，对分化的脂肪细胞进行6小时的急性CL或cAMP类似物刺激，足以诱导Gys2和Ppp1r3c的表达，且原代肝细胞对此无反应，表明这一调控是细胞自主且脂肪细胞特异性的。

CREB直接调控PKA信号下游的Gys2表达

为探究Gys2和Ppp1r3c是否是蛋白激酶A（PKA）信号的直接转录靶点，研究人员在β₃-肾上腺素能刺激前用蛋白质合成抑制剂环己酰亚胺处理原代脂肪细胞，发现Gys2和Ppp1r3c的诱导不受影响，提示它们是PKA信号的原发性转录靶标。药理学抑制PKA、p38 MAPK或CREB均能减弱CL诱导的Gys2 mRNA表达，CREB抑制还减少了糖原积累。利用CRISPR-Cas9技术在Cas9敲入小鼠的原代脂肪细胞中敲低Creb，证实Creb的缺失完全阻断了CL对Gys2的诱导，并降低了其基础表达，同时糖原积累也减少。然而，Ppp1r3c的表达未受影响，表明其调控不依赖于CREB。荧光素酶报告基因实验进一步证实CREB通过一个半CRE结合位点显著增强Gys2启动子活性。

PGC1α维持慢性β₃肾上腺素能激活下的糖原代谢基因表达

对多样性远交系小鼠转录组数据的分析显示，糖原代谢基因与Ppargc1a（PGC1α）表达呈强正相关。研究人员随后构建了脂肪细胞特异性PGC1α敲除（PGC1α-AKO）小鼠。在CL处理7天后，PGC1α-AKO小鼠iWAT中糖原代谢基因（Gys1, Gys2, Ppp1r3c, Agl）和Ucp1的表达均显著降低，糖原积累也减少。组织学分析进一步证实了UCP1蛋白和糖原沉积的减少。值得注意的是，在体外分化的原代脂肪细胞中，急性（6小时）CL刺激下，PGC1α的缺失并不影响糖原相关基因或Ucp1的诱导，提示PGC1α对于急性转录反应是非必需的，但在慢性β₃-肾上腺素能诱导的白色脂肪米色化过程中，对维持糖原代谢程序至关重要。ATAC-seq分析显示，PGC1α-AKO小鼠iWAT中关键糖原代谢基因启动子区域的染色质可及性降低。染色质免疫共沉淀（ChIP）实验则证实，CL处理后，PGC1α在Gys2, Ppp1r3c, Agl启动子区域的富集在PGC1α-AKO iWAT中被消除。

PGC1α和ERRα/γ协同维持慢性β₃肾上腺素能信号下的糖原代谢基因表达

PGC1α是脂肪细胞中多个核受体的共激活因子，其中与雌激素相关受体α（ERRα）亲和力最高。对野生型和ERRα/γ双敲除（ERRα/γ-AKO）小鼠棕色脂肪组织的RNA-seq数据分析发现，糖原代谢基因的诱导在ERRα/γ-AKO小鼠中被完全消除。ChIP-seq分析也显示ERRα和ERRγ直接结合于棕色脂肪中糖原代谢基因的启动子区域。令人意外的是，脂肪细胞特异性ERRα单敲除（ERRα-AKO）小鼠在CL处理后，糖原代谢基因和产热标志物均无变化，糖原积累也未受影响，但观察到Esrrg（ERRγ）表达的显著上调，表明ERRγ可能补偿了ERRα的功能缺失。为消除ERR家族成员间的冗余性，研究人员构建了脂肪细胞特异性ERRα/β/γ三敲除（ERRs-AKO）小鼠。在这些小鼠中，慢性CL处理未能诱导糖原代谢基因和产热程序（包括Ucp1），iWAT中的糖原含量也显著降低。ATAC-seq分析显示，ERRs-AKO小鼠iWAT中Gys1, Gys2, Pygl, Ppp1r3c, Agl等基因启动子区域的染色质可及性明显减弱。ChIP-seq分析进一步证实ERRα在这些启动子区域的结合在ERRs-AKO小鼠中被废除。在米色脂肪细胞中分别过表达PGC1α、ERRα或ERRγ，均能诱导Gys1和Gys2的表达。

本研究揭示了一个连接β₃-肾上腺素能信号与脂肪细胞糖原代谢的多层次转录程序。急性β₃-肾上腺素能受体激活通过PKA信号快速诱导糖原合成关键调节因子Gys2和Ppp1r3c的表达，其中Gys2是CREB的直接转录靶点。在慢性刺激下，该基因程序的诱导扩展到包括参与糖原水解和去分支的Pyg1和Agl，从而确保糖原周转。这些变化依赖于PGC1α及其与ERRs的相互作用，后者直接结合于糖原基因位点并维持其转录活性。脂肪细胞特异性缺失ERR异构体会消除这一基因表达模式，确立了PGC1α-ERR轴作为肾上腺素能驱动的糖原重塑的核心调控机制。

这项研究的意义在于，它将糖原代谢定位为脂肪细胞产热信号中一个受转录调控的效应分支，扩展了我们对脂肪组织产热调控网络的认识。PGC1α-ERR模块将碳水化合物代谢与线粒体基因程序整合起来，提示了一种在产热过程中实现代谢灵活性的协调策略。除了已知的氧化代谢调控功能外，本研究将PGC1α的转录调控范围延伸至胞质葡萄糖处理酶，这种双重调控功能可能使脂肪细胞能够有效地匹配底物可用性与线粒体需求。此外，该调控通路也代表了一种机制，确保只有具备足够燃料储备的脂肪细胞才能响应米色化信号，从而在UCP1表达可能带来的毒性效应中存活下来。这些发现不仅增进了对基础生物学过程的理解，也为针对PGC1α-ERR通路开发改善代谢健康的新策略提供了潜在靶点，提示调节糖原周转可能成为一个独立的治疗角度。