PIEZO2 在脂肪感觉神经支配中的关键作用

本文发现机械感受器 PIEZO2 在脂肪感觉神经调节中起关键作用，为探索脂肪代谢调控机制提供新视角。

　　

引言

脂肪 - 大脑的交流对于全身能量稳态至关重要。传统研究主要聚焦于大脑通过交感神经支配调节脂肪活动，以及脂肪组织通过循环因子向大脑传递信号这两条途径。然而，近年来研究发现，脂肪组织的传入感觉神经支配在代谢调节中也起着重要作用。相比交感神经，支配脂肪组织的传入神经通路研究较少。虽然已知特定的脂肪支配背根神经节（DRG）神经元消融会改变脂肪组织基因表达，但激活脂肪感觉传入神经的具体刺激仍不清楚。此前研究表明，瘦素受体（LepR）和瞬时受体电位香草酸亚型 1（TRPV1）在支配脂肪的 DRG 神经元中表达，且脂肪神经可被外源性瘦素、辣椒素和游离脂肪酸激活，但这些是否为生理条件下感觉终端的内源性刺激还需更多遗传证据。为填补这一知识空白，研究人员通过器官靶向单细胞 RNA 测序（scRNA - seq）确定了脂肪支配 DRG 神经元的分子身份，发现机械感受器 PIEZO2 是其中最丰富的受体之一，并通过功能缺失（LOF）和功能获得（GOF）的 PIEZO2 遗传模型，揭示了机械感觉在调节脂肪功能中的意外作用。

PIEZO2 在脂肪感觉神经元中大量表达

为确定脂肪支配 DRG 神经元的分子身份，研究人员对来自脂肪的逆行标记 DRG 神经元进行 scRNA - seq。他们聚焦于腹股沟白色脂肪组织（iWAT）和附睾白色脂肪组织（eWAT），因为这两种组织在脂质和葡萄糖代谢中起重要作用，且由相似椎骨水平的非重叠 DRG 神经元支配。通过向 iWAT 和 eWAT 注射荧光染料偶联的逆行示踪剂，再经荧光激活细胞分选（FACS）收集标记和未标记细胞进行单细胞测序。结果显示，iWAT 和 eWAT 的 DRG 神经元重叠极少，且 iWAT - 和 eWAT - DRGs 中皮肤伤害感受器标记物 Mrgprd 的表达降低，表明该脂肪靶向 scRNA - seq 特异性排除了皮肤支配神经元。在众多已知的异质性 DRG 群体中，一些感觉受体通道在 iWAT - DRGs 中表达水平与未标记 DRGs 相同或更高，其中 Piezo2 是表达最广泛的基因。

PIEZO2 是一种专门的机械感受器，在触觉、疼痛和本体感觉中起关键作用，也参与调节内部器官功能。尽管脂肪组织传统上不被认为是对机械刺激有反应的器官，但有报道称前脂肪细胞和脂肪细胞具有机械敏感性，并表达如 PIEZO1 和 SWELL1 等感觉通道，这表明脂肪的机械特性在生理上是相关的，其机械信息可能通过感觉传入神经传递到中枢神经系统（CNS）。

为进一步验证 PIEZO2 在脂肪感觉神经元中的表达，研究人员通过原位杂交检测 iWAT - DRGs 中 Piezo2 转录水平，并利用新开发的能靶向特定器官的逆行腺相关病毒（AAV，ROOT）进行逆行病毒标记，结合杂交链式反应（HCR），发现约一半的 iWAT 支配神经元胞体表达 Piezo2，与 scRNA - seq 结果相符。此外，将表达 Cre 依赖荧光蛋白的 AAV 注射到 Piezo2^{ires - Cre}小鼠的胸腰段 DRGs，经组织清除和免疫标记后发现，PIEZO2⁺轴突投射到 iWAT，且呈现沿血管或穿过实质与脂肪细胞紧密并列的形态特征。这些结果表明 PIEZO2 通道在 iWAT 支配的 DRGs 中表达，暗示其在调节脂肪组织功能中可能发挥作用。

PIEZO2 缺失导致脂肪组织出现类似 DRG 消融的分子表型

为探究 PIEZO2 对脂肪组织调节是否必需，研究人员在脂肪支配的 DRG 神经元中基因敲除 PIEZO2。他们将表达 Cre - YFP 或 YFP（对照）的 ROOT AAV 注射到 PIEZO2^fl/fl小鼠的 iWAT 中，通过原位杂交分析，发现约 60% 的 iWAT 支配 DRGs 中 PIEZO2 被敲除，且标记的脂肪支配神经元总数不变。在手术后 3 - 4 周分析脂肪组织，发现与对照侧相比，感觉特异性 PIEZO2^KO的脂肪垫增大，参与产热、从头脂肪生成（DNL）的基因以及 Adrb3（脂肪细胞特异性肾上腺素能受体）上调，脂质滴变小，酰基辅酶 A 水平降低，这些变化与之前 DRG 消融后的脂肪表型相似，且仅在注射的 iWAT 中出现，在其他脂肪 depot（如肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）和 eWAT）中未观察到，表明 PIEZO2 介导的效应具有局部特异性。

通过对 iWAT 进行批量 RNA - seq 分析，发现 PIEZO2^KO诱导的转录和生理变化反映了脂肪组织内多个生化途径的参与，且其转录组变化与 DRG 消融的结果高度相关，这表明 PIEZO2^KO在调节脂肪功能方面功能上模拟了 DRG 消融。

PIEZO2 功能获得可逆转 DRG 消融诱导的脂肪基因表达变化

PIEZO2 缺失和 DRG 消融对脂肪基因表达的相似性表明，PIEZO2 可能在脂肪感觉传入神经中起关键作用。为进一步验证这一假设，研究人员构建了 PIEZO2 功能获得的小鼠模型。此前研究发现 PIEZO2 的一个变体（PIEZO2^E2727del）与人类远端关节弯曲症（DA）相关，该变体具有较慢的失活动力学，能延长通道开放时间。研究人员构建了条件性表达类似小鼠突变体（PIEZO2^E2799del）的 GOF 小鼠模型，该模型在发育过程中会导致小鼠出现类似 DA 患者的关节畸形，验证了该模型可用于研究 PIEZO2 活性增强的生理后果。

利用基于 ROOT 的单侧靶向策略，研究人员在脂肪支配的 DRGs 中表达 PIEZO2^E2799del突变体。在正常饮食条件下，未观察到脂肪 depot 的转录变化。考虑到 GOF 突变体通道关闭较慢但不改变机械敏感性，可能是正常饮食条件下的机械刺激不足以引发显著的下游信号差异。因此，研究人员给予小鼠高脂肪饮食（HFD），HFD 可导致脂肪细胞内脂质积累、细胞外基质（ECM）重塑和脂肪扩张，增加脂肪组织的机械应力。为减少晚期肥胖的混杂因素，研究人员让小鼠食用 HFD 2 - 3 周，此时足以诱导脂肪扩张但未出现明显胰岛素抵抗。

结果显示，短期 HFD 使小鼠体重适度增加，脂肪质量显著增加，脂肪垫厚度和硬度增加，但未改变 DRGs 中 Piezo2 的表达。HFD 还下调了 DNL 和肾上腺素能信号基因（如 Fasn、Acacb 和 Adrb3），但未影响产热基因（如 Ucp1）。在 HFD 条件下，表达 PIEZO2^E2799del GOF 突变体的脂肪垫基因表达变化与 PIEZO2 缺失时相反，即 PIEZO2^E2799del GOF 突变体进一步降低了 Fasn、Acacb 和 Adrb3 的 mRNA 水平。

全局转录分析表明，PIEZO2^KO在 HFD 条件下的基因表达变化与 DRG 消融相似，而 PIEZO2^E2799del则呈现相反变化。主成分分析显示，PIEZO2^KO和 DRG 消融的转录谱聚集在一起，而 PIEZO2^E2799del与 HFD 的组合使转录谱向相反方向移动。对于参与脂质代谢和肾上腺素能活动的基因，PIEZO2^E2799del在 HFD 挑战下表现出与 PIEZO2^KO和 DRG 消融相反的调节作用。这些结果表明，PIEZO2 活性在脂肪组织的传入调节中起主要作用，HFD 诱导的脂肪扩张可能进一步增强 PIEZO2 活性，该传入途径抑制脂肪中与交感神经相关的基因程序，而 DRG 消融和 PIEZO2^KO会消除这种抑制，PIEZO2 的慢失活突变体则会增强这种抑制。

讨论

本研究通过器官靶向 scRNA - seq 和病毒示踪技术，发现 PIEZO2 是脂肪支配神经元中表达最丰富的受体之一。PIEZO2^KO在 iWAT 中重现了 DRG 消融诱导的基因变化，而 PIEZO2^E2799del GOF 突变体则部分逆转了这些变化，表明机械感觉在调节脂肪活动中起着意想不到的作用。

然而，仍有一些问题有待进一步研究。首先，机械刺激的来源尚不明确。尽管脂肪组织传统上不被视为机械活性器官，但它在代谢需求的响应下会动态变化，且脂肪细胞和前脂肪细胞会受到剪切应力、压缩和膜张力等机械力的作用，这些力可激活离子通道和信号通路，影响脂肪细胞的发育和分化。此外，ECM 对脂肪扩张有物理限制，肥胖时 ECM 变硬，会导致病理改变。同时，PIEZO2⁺神经与血管紧密相邻，血管动力学变化也可能产生机械信号。但目前在体内识别脂肪组织中特定机械刺激的技术有限，需要更先进的技术来准确测量和理解体内机械刺激。

其次，脂肪感觉传入神经还能感知什么其他信号也不清楚。此前研究表明，脂肪相关神经可被瘦素和脂解产物激活，本研究通过器官靶向 scRNA - seq 还发现了许多其他潜在的受体在脂肪支配 DRG 神经元中表达，如 Asic1、Trpm8 和 TRPV1 等，它们可能分别对酸度、温度变化和炎症信号作出反应。这些受体的生理效应可能相互交叉，共同塑造脂肪组织的感觉景观。此外，中枢神经系统如何处理和整合来自脂肪传入神经的机械和其他刺激，也是未来研究的重要方向。

总体而言，本研究表明 PIEZO2 是脂肪传入活动的关键介质之一，这一发现提示机械信号可能与温度、内分泌因子和其他化学信号一起，共同调节机械静态组织的生理功能，为理解机械感觉在维持全身稳态中的作用提供了重要见解。

研究局限性

本研究存在一定的局限性。一方面，由于缺乏可靠的体内直接测量轴突末端机械力的技术，研究主要通过 PIEZO2 的功能来推断机械感觉的参与。尽管 PIEZO2 仅被机械刺激激活已有充分证据，但仍无法直接证明机械感觉的存在。另一方面，在使用 ROOT 逆行靶向感觉神经元中的 PIEZO2 基因时，无法完全排除 Cre 可能作用于局部脂肪细胞引入混杂因素的可能性。不过，考虑到 PIEZO2 在脂肪组织中的表达极低且稀疏，非神经元 PIEZO2 在观察到的表型中起主要作用的可能性较小，且 PIEZO2^KO诱导的脂肪转录组谱与 DRG 消融的相似性表明，传入 PIEZO2 是主要贡献者之一。

资源可用性

本研究的相关资源、试剂和进一步信息可向主要联系人 Ardem Patapoutian（[e-mail]）咨询获取。研究中使用的已建立的小鼠品系和其他试剂可应要求提供。原始数据（包括 scRNA - seq 和批量 RNA - seq）已存入基因表达综合数据库（GEO），原始数据分析代码可在 GitHub 上获取，所有图表的原始数据可在 Data S1 中找到，更多信息可向主要联系人索取。}