GCN5L1：调控白色脂肪线粒体重塑，对抗肥胖的关键因子

本文揭示了线粒体蛋白 GCN5L1 在白色脂肪组织（WAT）中的关键作用。GCN5L1 缺失可促进 WAT 米色化，增强能量消耗，保护小鼠免受高脂饮食（HFD）诱导的肥胖。其通过与 YME1L、MICOS 相互作用重塑线粒体嵴，为肥胖治疗提供新靶点。

　　

研究背景

全球肥胖和超重问题日益严重，白色脂肪组织（WAT）和棕色脂肪组织（BAT）在能量代谢中起关键作用，线粒体的形态和功能对脂肪组织的代谢功能至关重要。尽管已知肥胖个体线粒体功能受损，但线粒体改变导致肥胖功能障碍的具体机制尚不清楚。本研究旨在探究线粒体生物学改变如何调节脂肪组织的能量稳态，重点研究线粒体富集蛋白 GCN5L1 在其中的作用。

GCN5L1 缺失对小鼠肥胖的影响

1. GCN5L1 与肥胖的相关性：分析公共转录组数据发现，肥胖个体和小鼠的 WAT 中 GCN5L1 转录显著上调，尤其在皮下 WAT（inguinal WAT，iWAT）中。HFD 喂养的小鼠 iWAT 中 GCN5L1 蛋白水平也增加，表明其表达与肥胖正相关。
2. GCN5L1 缺失对体重和脂肪沉积的影响：构建脂肪细胞特异性 GCN5L1 基因敲除（GCN5L1 AKO）小鼠，给 AKO 小鼠和对照小鼠（CON）喂食 HFD 或正常饮食（NCD）16 周。结果显示，NCD 喂养时，GCN5L1 AKO 小鼠体重和脂肪库无明显变化；HFD 喂养时，GCN5L1 AKO 小鼠体重和脂肪库重量显著低于 CON 小鼠，且食物摄入量相似。这表明 GCN5L1 缺失使小鼠对 HFD 诱导的肥胖具有抗性。
3. GCN5L1 缺失对脂肪细胞形态和功能的影响：H&E 染色显示，NCD 喂养的 GCN5L1 AKO 小鼠 iWAT 中多房脂肪细胞增多，UCP1 蛋白水平升高，提示 iWAT 发生米色化。HFD 喂养使对照小鼠所有脂肪库中的脂肪细胞增大，而 GCN5L1 AKO 小鼠的脂肪细胞明显较小，尤其是 iWAT 和 BAT。代谢笼分析表明，GCN5L1 AKO 小鼠在黑暗和光照阶段的能量消耗均增加。此外，GCN5L1 缺失增强了脂肪组织的脂解作用，可能是 HFD 喂养小鼠脂肪组织重量降低的原因之一。
4. GCN5L1 缺失对血糖稳态的影响：对 GCN5L1 AKO 和 CON 小鼠进行葡萄糖耐量试验（GTT）和胰岛素耐量试验（ITT），结果显示 GCN5L1 缺失对葡萄糖耐量和胰岛素敏感性影响不显著，但 HOMA-IR 降低，表明葡萄糖稳态有所改善。然而，HFD 喂养的 GCN5L1 AKO 小鼠出现血糖和胰岛素水平升高、胰岛素敏感性受损的情况，同时肝脏脂肪变性增加，提示脂肪组织中增强的脂解作用可能导致肝脏脂肪变性。

GCN5L1 缺失对 WAT 棕色化和产热的影响

1. GCN5L1 缺失对冷刺激下小鼠体温和生存的影响：给 NCD 喂养的 GCN5L1 AKO 小鼠进行急性冷刺激试验，发现其能维持较高体温，在冷暴露下的生存率提高。而 GCN5L1 在 BAT 中缺失（GCN5L1 BKO）的小鼠在冷暴露时体温无明显变化，表明 iWAT 米色化可能是 GCN5L1 AKO 小鼠抗寒的原因。
2. GCN5L1 缺失对脂肪组织组织学和基因表达的影响：对冷刺激后的小鼠脂肪组织进行分析，发现 GCN5L1 AKO 小鼠 iWAT 中多房脂肪细胞增多，产热相关基因表达显著升高，UCP1 蛋白水平也明显增加。而 GCN5L1 BKO 小鼠的 BAT 在脂肪细胞形态和 UCP1 表达上无明显变化。
3. GCN5L1 缺失对长期 β3 -AR 激动剂处理的影响：给 GCN5L1 AKO 和 CON 小鼠连续 7 天注射 β3 -AR 激动剂 CL - 316,243（CL），GCN5L1 AKO 小鼠体重下降更多，iWAT 中多房脂肪细胞增多，UCP1 表达增加，产热相关基因表达也显著升高。而 GCN5L1 BKO 小鼠在 BAT 或 iWAT 中的 UCP1 蛋白水平和产热基因表达无明显变化。这些结果表明，GCN5L1 缺失诱导 iWAT 白色到米色的转变，促进产热，而在 BAT 中缺失 GCN5L1 不影响其产热能力。

GCN5L1 缺失对 iWAT 线粒体的影响

1. GCN5L1 缺失对 iWAT 线粒体 DNA 拷贝数、质量和 OXPHOS 蛋白水平的影响：对 HFD 喂养的 CON 和 GCN5L1 AKO 小鼠 iWAT 进行 RNA 测序（RNA - seq）分析，发现与产热和氧化磷酸化（OXPHOS）相关的基因在转录水平上无明显变化，但 UCP1 蛋白水平显著增加。进一步研究发现，冷刺激和 HFD 喂养的 GCN5L1 AKO 小鼠 iWAT 中线粒体 DNA 拷贝数、线粒体质量（通过 TOM20 表达评估）和 OXPHOS 蛋白水平均显著升高，表明 GCN5L1 缺失增强了 iWAT 中的线粒体质量和 OXPHOS 水平。
2. GCN5L1 缺失对 iWAT 线粒体超微结构的影响：透射电子显微镜（TEM）观察显示，NCD 喂养时，GCN5L1 AKO 小鼠 iWAT 线粒体形态与 CON 小鼠相似；但 HFD 喂养或冷刺激后，GCN5L1 AKO 小鼠 iWAT 线粒体嵴数量增加且排列更有序。这表明 GCN5L1 缺失不仅促进线粒体生物发生，还促进嵴的形成，支持 HFD 喂养时增加的能量消耗。
3. GCN5L1 缺失对米色脂肪细胞线粒体功能的影响：在 C3H10 T1/2 细胞和 iWAT 来源的基质血管成分（SVF）分化的米色脂肪细胞中，GCN5L1 缺失导致 TOM20、UCP1、复合物 I 和复合物 II 的蛋白水平增加，线粒体质量和线粒体 DNA 拷贝数也增加。此外，GCN5L1 缺失增强了米色脂肪细胞的基础和最大呼吸水平，增加了质子泄漏，且 β3 -AR 激动剂 CL 的作用也被增强。这些结果表明，GCN5L1 缺失促进米色脂肪细胞的线粒体生物发生和嵴形成，进而促进脂肪组织的能量消耗。

GCN5L1 与 MIC13 的相互作用及对线粒体的影响

1. GCN5L1 与 MIC13 的相互作用：通过免疫沉淀 - 质谱（IP - MS）分析，发现 MIC13 与 GCN5L1 具有最高亲和力。在 293T 细胞中进行共转染和共免疫沉淀（coIP）试验，以及在 C3H10T 1/2 分化的米色脂肪细胞中进行半内源性沉淀，证实了 GCN5L1 与 MIC13 在体外和体内均存在相互作用。
2. GCN5L1 对 MIC13 稳定性的影响：研究发现，GCN5L1 缺失增加了 iWAT 中 MIC13、MIC27 和 MIC60 的蛋白水平，且延长了 MIC13 和 MIC27 的半衰期。相反，GCN5L1 过表达降低了 MIC13 的稳定性。这表明 GCN5L1 与 MIC13 相互作用，促进其降解。
3. GCN5L1 亚线粒体定位及对线粒体功能的影响：蛋白质酶 K 保护试验显示，NCD 喂养时，GCN5L1 定位于线粒体基质和内膜间隙（IMS）；HFD 喂养时，主要定位于 IMS。在 C3H10 T1/2 分化的米色脂肪细胞中，构建 IMS 限制的 GCN5L1（LACTB - GCN5L1），发现其能诱导 MIC13 降解，破坏线粒体嵴，抑制线粒体活性。同时，敲除 MIC13 或过表达 LACTB - GCN5L1 可挽救 GCN5L1 缺失导致的线粒体嵴数量增加和 OXPHOS 复合物水平升高。这些结果表明，HFD 喂养促进 iWAT 中 GCN5L1 定位于 IMS，与 MIC13 相互作用并促进其降解，降低线粒体嵴和线粒体活性。

GCN5L1 介导 YME1L 与 MIC13 相互作用促进 MIC13 降解

1. GCN5L1 与 YME1L、MIC13 的相互作用：从 GCN5L1 相互作用组数据中发现 YME1L 等 15 种线粒体 IMS 蛋白可能与 GCN5L1 相互作用。coIP 试验证实 YME1L 与 GCN5L1、MIC13 均相互作用。GCN5L1 缺失减少了 YME1L 与 MIC13 的相互作用，表明 GCN5L1 介导了两者的相互作用。
2. YME1L 在 GCN5L1 诱导的 MIC13 降解中的作用：使用 YME1L 特异性抑制剂 o - 菲咯啉（o - phe）和 siRNA 敲低 YME1L，发现可抑制 GCN5L1 过表达导致的 MIC13 降解。此外，过表达 YME1L、MIC13 和 MIC60 的实验表明，GCN5L1 缺失显著降低 YME1L 与 MIC13 的相互作用，但不影响 YME1L 与 MIC60 的相互作用。这些结果表明，GCN5L1 特异性介导 YME1L 和 MIC13 的相互作用，促进 MIC13 降解。
3. 其他蛋白酶的作用：对其他已知的 IMS 蛋白酶进行筛选，发现只有 HTRA2 和 CLPB 与 GCN5L1、MIC13 相互作用，但添加它们的抑制剂 Ucf - 101 和 Clpb - IN - 1 不能恢复 GCN5L1 过表达导致的 MIC13 蛋白水平降低。这表明 HTRA2 和 CLPB 不介导 GCN5L1 诱导的 MIC13 降解，YME1L 是促进该过程的关键蛋白酶。

GCN5L1、MIC13 与人类肥胖的关系

1. 肥胖患者皮下 WAT 中相关蛋白和基因的变化：对肥胖患者皮下 WAT 进行分析，发现 BMI 超过 40 的患者中，OXPHOS 相关基因表达显著下调，复合物 I、II 和 V 的蛋白水平降低，提示线粒体呼吸减弱与肥胖相关。尽管 MICOS 基因转录水平无变化，但 MIC13 蛋白水平显著下调，且 GCN5L1 表达与肥胖严重程度正相关。
2. GCN5L1 在肥胖患者皮下 WAT 中的亚线粒体定位：蛋白质酶 K 保护试验显示，BMI 超过 40 的肥胖患者中，IMS 定位的 GCN5L1 水平显著升高；而 BMI 低于 40 的患者中，GCN5L1 主要定位于线粒体基质，与小鼠模型存在差异，可能与线粒体分离过程中膜损伤有关。TEM 观察发现，BMI 低于 40 的患者 WAT 中可见少量线粒体嵴，而多数样本中嵴不清晰。这些结果表明，IMS 中 GCN5L1 表达增加与 MIC13 蛋白水平降低和严重肥胖正相关。

讨论

1. GCN5L1 在肥胖中的作用机制：本研究揭示了 GCN5L1 在调节线粒体嵴重塑和功能中的关键作用。在 HFD 诱导的肥胖中，GCN5L1 表达增加并定位于 IMS，促进 YME1L 与 MIC13 相互作用，导致 MIC13 降解和嵴结构破坏；而在冷刺激下，GCN5L1 从 IMS 转移到基质，维持线粒体嵴结构，促进产热。GCN5L1 缺失激活白色脂肪细胞的产热程序，通过增强米色化和增加能量消耗保护小鼠免受 HFD 诱导的体重增加，且该过程涉及转录后机制调节线粒体生物学和产热。
2. 研究的局限性和展望：本研究存在一些局限性，如影响 GCN5L1 亚线粒体定位的关键因素尚不清楚，缺乏与健康对照的比较，小鼠实验缺乏热中性环境影响对 GCN5L1 在产热中功能的理解，体内实验仅使用雄性小鼠，以及对 GCN5L1 缺失的脂肪组织中线粒体生物学的综合研究不足等。未来研究可针对这些方面展开，进一步深入了解 GCN5L1 在肥胖和代谢疾病中的作用机制，为肥胖治疗提供更有效的靶点和策略。