TMEM120A通过内质网辅酶A通道化维持脂肪组织脂质稳态

《Nature Communications》：TMEM120A maintains adipose tissue lipid homeostasis through ER CoA channeling

本研究揭示了TMEM120A作为内质网定位的CoA结合蛋白，通过促进ACSL1/3介导的长链脂酰辅酶A合成和脂肪酸再酯化，维持脂肪细胞脂质稳态。研究发现TMEM120A缺失会破坏脂质循环，导致内质网应激和代谢功能障碍，为肥胖相关代谢疾病的治疗提供了新靶点。

　　

在能量代谢调控中，脂肪组织扮演着核心角色。当机体需要能量时，脂肪细胞中的甘油三酯（TG）会被水解为游离脂肪酸（FFAs）和甘油，这一过程称为脂解。然而，一个有趣的现象是，高达85%的游离脂肪酸并不会立即进入血液循环供能，而是被脂肪细胞重新捕获并再次合成为甘油三酯，形成所谓的"无效脂质循环"。这种循环不仅缓冲了游离脂肪酸的潜在脂毒性，还被认为是一种消耗能量的过程，可能独立于经典的UCP1介导的产热机制，对机体能量消耗有重要贡献。

尽管脂肪酸再酯化的重要性日益凸显，但其精确的分子调控机制，尤其是在内质网（ER）这一脂质合成主要场所中，辅酶A（CoA）的可用性如何被协调以确保高效的脂质周转，仍然是一个悬而未决的关键科学问题。CoA是脂肪酸活化形成脂酰辅酶A（acyl-CoA）的必需辅因子，后者才能参与合成或氧化代谢。因此，阐明内质网中CoA的调控机制，对于理解脂肪细胞脂质稳态至关重要。

近期，发表在《Nature Communications》上的一项研究为这一领域带来了突破。由Yoon Keun Cho、Junhyuck Lee和Yujin L. Jeong作为共同第一作者，Yun-Hee Lee、Dong-Kyu Lee和Jong Kyoung Kim作为共同通讯作者的研究团队发现，一个名为TMEM120A的跨膜蛋白，是维持脂肪组织脂质稳态的关键分子。TMEM120A在脂肪细胞中高表达，但在肥胖个体和小鼠模型中其表达显著下调，提示其可能与代谢健康密切相关。

为了揭示TMEM120A的功能，研究人员运用了多学科技术手段，包括构建脂肪细胞特异性敲除（AKO）小鼠模型、单核RNA测序（snRNA-seq）分析脂肪组织细胞图谱、蛋白质相互作用研究（免疫共沉淀、双分子荧光互补技术）、亚细胞组分分离与CoA含量检测、基于FRET（荧光共振能量转移）的脂酰辅酶A传感器实时监测胞内代谢物动态、稳定同位素（¹³C-棕榈酸）示踪脂质代谢流、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）进行脂质组学分析，以及体外脂肪酸延伸实验等。研究还纳入了人类肥胖患者和小鼠模型的样本进行分析，确保了发现的临床相关性。

TMEM120A是脂肪细胞中高表达的内质网定位CoA结合蛋白

研究人员首先发现，TMEM120A在小鼠多种组织中于脂肪组织含量最高，且在白色脂肪组织（WAT）中的表达高于棕色脂肪组织（BAT）。单核RNA测序分析证实，Tmem120a mRNA主要在小鼠和人类脂肪组织的脂肪细胞中表达，并且其表达在肥胖状态下显著降低，与体重指数（BMI）呈负相关。通过细胞共定位实验和亚细胞组分分离，研究团队确定TMEM120A主要定位于内质网，而非之前有报道的核膜或质膜。虽然TMEM120A在结构上与超长链脂肪酸延伸酶7（ELOVL7）相似，但体外酶活实验表明，TMEM120A本身并不具有将C18:0或C18:3（n-6）延伸的催化活性。AlphaFold3结构建模分析为这一现象提供了结构基础：TMEM120A可以稳定结合CoA分子核心，但其缺乏一个连续的疏水隧道来容纳长链脂酰基，因此无法催化脂肪酸延伸反应。

TMEM120A与ACSL1和ACSL3在内质网相互作用

鉴于TMEM120A是内质网蛋白且能结合CoA，而酰基辅酶A合成酶长链（ACSL）家族（如ACSL1和ACSL3）负责将游离脂肪酸活化为脂酰辅酶A，研究人员推测TMEM120A可能参与调控ACSL的功能。实验证实，在脂肪细胞中，TMEM120A能与内源性的ACSL1和ACSL3发生相互作用。重要的是，将TMEM120A第193位色氨酸（W）突变为丙氨酸（A）（W193A）——该位点对CoA结合至关重要——会显著削弱TMEM120A与ACSL1/3的结合。在脂解刺激（如异丙肾上腺素ISO）下，TMEM120A与ACSL1/3在内质网富集的微粒体组分中的结合增强。相反，敲低Tmem120a会减少ACSL1/3在内质网的定位。双分子荧光互补（BiFC）实验进一步在空间上证实了TMEM120A的C端与ACSL3的N端在内质网发生相互作用，且这一相互作用同样依赖于TMEM120A的CoA结合能力（W193位点）。这些结果确定了TMEM120A是一个与ACSL1和ACSL3相互作用、并以CoA结合依赖的方式促进它们在内质网滞留的支架蛋白。

TMEM120A促进脂肪酸再酯化并减轻脂解诱导的内质网应激

功能上，TMEM120A如何影响脂质代谢？通过¹³C-棕榈酸示踪实验，研究人员发现，过表达TMEM120A能增强基础状态和脂解刺激下¹³C-棕榈酸掺入甘油三酯（如TG 48:0, 48:1等）的效率，而敲低Tmem120a则产生相反效果，表明TMEM120A促进了脂肪酸再酯化。对磷脂酰胆碱（PC）的掺入则无显著影响，提示TMEM120A的作用具有代谢通路特异性。机制上，TMEM120A过表达增加了内质网富集组分中的CoA水平，敲低则降低CoA水平，表明TMEM120A有助于维持内质网的CoA可用性。当再酯化过程被抑制（如使用DGAT1抑制剂）或TMEM120A缺失时，脂解会引发内质网应激标志物（如BiP、CHOP）的上调和活性氧（ROS）水平的增加，导致脂毒性和细胞应激。这表明TMEM120A通过促进脂肪酸再酯化，充当了缓解脂解过程中脂毒性压力的保护机制。

TMEM120A通过降低胞质长链脂酰辅酶A水平维持脂解

长链脂酰辅酶A（LC-acyl-CoAs）本身是脂解的负反馈抑制剂，它们可以结合脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL）或其辅激活子ABHD5，抑制脂解。研究人员利用一个新型的单分子FRET传感器，实时监测了脂解过程中胞质内LC-acyl-CoA的动态变化。发现TMEM120A过表达能显著减弱由异丙肾上腺素诱导的胞质LC-acyl-CoA水平升高，而W193A突变体则无此效应。这意味着TMEM120A通过促进LC-acyl-CoA进入内质网进行再酯化，降低了其在胞质中的浓度，从而解除了对脂解的反馈抑制。与此一致，TMEM120A过表达增强了脂解信号（cAMP水平升高、HSL和Perilipin 1的磷酸化水平增加），并促进了游离脂肪酸和甘油的释放。即使使用不依赖于PKA通路、直接激活ATGL的化合物SR-3420，TMEM120A过表达依然能进一步增强脂解，进一步支持了其通过调控LC-acyl-CoA空间分布来调节脂解的模型。因此，TMEM120A通过促进脂酰辅酶A的再利用，同时增强了脂解和再酯化，形成了一个高效的脂质循环。

脂肪细胞特异性敲除TMEM120A损害体内能量代谢

在动物水平，研究人员构建了脂肪细胞特异性Tmem120a敲除（TMEM120A AKO）小鼠。在正常饮食下，这些小鼠没有表现出明显的代谢表型。然而，在急性β3-肾上腺素能受体激动剂（CL316,243）刺激下，TMEM120A AKO小鼠的脂解反应（血液中游离脂肪酸和甘油水平）和能量消耗显著低于野生型对照小鼠，表明TMEM120A缺失损害了由脂解驱动的能量消耗。单核RNA测序分析发现，在20周龄的TMEM120A AKO小鼠的性腺白色脂肪组织（gWAT）中，脂肪细胞的基因表达特征发生了改变：与脂质代谢和胰岛素信号相关的基因下调，而与内质网应激、活性氧反应、过氧化物酶体生物合成和β氧化相关的基因上调。巨噬细胞等 stromal 细胞也表现出炎症信号通路的激活。这表明TMEM120A缺失导致了脂肪组织的代谢紊乱和低度炎症状态，尽管在年轻小鼠的基础状态下尚未引起全身性能量代谢和葡萄糖稳态的显著改变。

TMEM120A缺失加剧高脂饮食诱导的代谢紊乱

当面临高脂饮食（HFD）的代谢挑战时，TMEM120A AKO的后果变得非常明显。与野生型小鼠相比，TMEM120A AKO小鼠体重增加更多，脂肪组织重量更大，脂肪细胞肥大更显著，并出现肝脏脂肪变性（肝甘油三酯含量升高）和空腹高血糖及葡萄糖不耐受。间接热量测定显示，TMEM120A AKO小鼠的能量消耗显著降低。其脂肪组织中内质网应激、炎症和细胞凋亡标志物表达增加，巨噬细胞浸润（特别是促炎的M1型）加剧。这些结果综合表明，在代谢压力下，脂肪细胞中TMEM120A的缺失通过破坏脂质循环，导致脂质堆积、组织应激、炎症和全身性代谢功能障碍。

研究结论与意义

本研究首次鉴定TMEM120A是一个内质网定位的CoA结合蛋白，它在脂肪细胞中通过形成"TMEM120A-ACSL"复合物，促进内质网局部的CoA利用和长链脂酰辅酶A的生成，从而驱动脂肪酸再酯化，维持高效的脂质循环。这一功能不仅缓冲了脂毒性，还通过降低胞质脂酰辅酶A水平解除对脂解的反馈抑制，从而增强脂质周转和能量消耗。在生理状态下，这一机制有助于应对能量需求；在病理状态下（如肥胖），TMEM120A的表达下调会破坏脂质稳态，导致内质网应激、炎症和代谢综合征的发生。

该研究揭示了细胞内CoA空间分布调控脂质代谢流向的一个全新机制，将TMEM120A确立为连接内质网CoA动态与脂质循环、脂肪组织稳态的关键分子。这不仅深化了对脂肪生物学和能量平衡调控的理解，也为开发针对肥胖、胰岛素抵抗等代谢疾病的新疗法提供了潜在的分子靶点。