高脂饮食诱导雄性C57BL/6小鼠体重增易感性的遗传解析：一组主要非脑表达的小基因集

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：The susceptibility to weight gain in male C57BL/6 mice fed high-fat diet is due to a small set of genes predominantly not expressed in the brain

　　

肥胖源于基因与环境的相互作用。理解饮食等环境因素对体质量和肥胖程度的影响，啮齿动物模型提供了重要帮助。研究人员此前鉴定了5个小鼠品系雄性个体在饲喂30种不同饮食后的反应，其中2个品系体重增加明显更多，2个品系具有抵抗性。研究共鉴定出57个基因中的66个标记单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms, SNPs），这些SNP在4个品系中呈现遗传基序，反映其对高脂饮食（high-fat diet, HFD）的保护性或易感性。研究人员采用其中2个品系C57BL/6与BALB/c，通过经典杂交策略生成F₁代，再将其子代杂交生成F₂群体。对F₂雄性小鼠饲喂HFD，并测定体质量、脂肪量和能量摄入，同时对66个SNP进行基因分型。HFD下的体质量增加受11个基因中的17个SNP影响，可解释体重增加个体变异的87%。随后，研究人员检测了这些11个基因在雄性和雌性C57BL/6与Balb/c小鼠饲喂高脂或低脂饮食时16种组织中的表达，以及在不同水平热量限制（calorie restriction）处理小鼠6种组织中的表达，以绘制其表达谱。这些基因广泛表达于多种组织，包括通常不被认为对脂肪储存调控重要的组织（如睾丸、肺和脾），仅4个基因主要表达于下丘脑。体脂调控可能比当前聚焦脑-脂肪轴（brain–adipose axis）的模型所假设的更为复杂。

研究背景与问题：肥胖由基因-环境相互作用导致，是代谢综合征、高血压、心血管和肝脏疾病、卒中、2型糖尿病、癌症、骨关节炎和睡眠呼吸暂停等疾病的风险因素。即使处于“致肥胖”环境，也并非所有个体均发生肥胖，提示遗传因素作用显著；体质量指数（body mass index, BMI）遗传度较高。既有理论模型多强调下丘脑“脂ostat”、瘦素信号以及脑-脂肪轴在体脂调控和肥胖发生中的核心作用，且与肥胖相关的多态变异常在大脑表达。尽管小鼠中已鉴定一些数量性状位点（quantitative trait loci, QTL），但高脂饮食下肥胖易感性的关键基因仍不清楚。研究人员此前发现，在相近能量摄入下，C57BL/6N和DBA/2品系获得的脂肪水平明显高于BALB/c和C3H品系。为此，研究人员筛选四品系中呈现关键遗传基序的768个SNP，选取66个标记SNP，利用C57BL/6N与BALB/c杂交F₁代及F₂群体鉴定影响HFD增重的变异，并在多组织、分级热量限制及公开数据中绘制关键基因表达谱，以检验既有脑-脂肪轴模型。该研究鉴定出11个基因中的17个SNP可解释F₂个体HFD下体脂变异的87%，并提示体脂调控涉及比脑-脂肪轴更广泛的组织。

关键技术方法（≤250字）：研究人员以C57BL/6N与BALB/c杂交获得F₁代并互交生成F₂雄性队列（约208只），进行8周HFD表型测定和66个SNP基因分型；对雄雌C57BL/6N与BALB/c小鼠低脂或高脂喂养后的16种组织进行批量RNA测序（bulk RNA-seq），并利用既往雄性C57BL/6小鼠接受10%–40%热量限制3个月的6种组织数据及公开单细胞和人类组织表达数据集；采用EchoMRI定量磁共振（quantitative magnetic resonance, QMR）测体成分、Sequenom MassARRAY检测SNP、实时定量PCR（quantitative RT-PCR, QRT-PCR）和Western blotting验证表达。

研究结果：
C57BL/6N与BALB/c的F₂杂交小鼠在高脂饮食下体成分与摄食变化：F₂雄性在8周HFD期间体质量、脂肪量和摄食呈时间变化；四种祖父母组合中，IV型C-B6*B6-C小鼠体质量、脂肪量和能量摄入最高，提示HFD效应并非由性别特异性遗传决定。
单个SNP对脂肪量和摄食的影响：HFD下体质量增加与11个基因（Abcc3、Adcy8、Ahr、Cyp11b2、Dpp6、Kcnn4、Mchr1、Nlrp1a、Nlrp5、Nova1、Nr1i3）中的17个SNP显著相关，合计解释87%的体质量增加变异；Abcc3、Nlrp1a的“瘦”等位基因降低增重和摄食，Ahr、Adcy8、Mchr1的“胖”等位基因增加增重或摄食；部分SNP间存在连锁不平衡，且体质量与脂肪量高度相关，增重主要来自体脂增加。
高脂饮食和分级热量限制处理下基因表达谱的组织分布：11个基因广泛表达于多组织；Adcy8、Dpp6、Nova1、Mchr1在下丘脑和脑干高表达，Ahr在肺高表达，Kcnn4在脾高表达，Cyp11b2和Nlrp5在睾丸（雌性卵巢或子宫）高表达，Ahr、Abcc3、Nr1i3在肝高表达；雌性表达模式与雄性基本一致，热量限制实验中的组织特异性表达模式与过度喂养实验一致，Western blotting验证Cyp11b2在睾丸高于肝、Ahr在肝高表达而肾不高。
高脂饮食下各SNP上下游基因的表达模式：对候选SNP上下游基因的多组织表达分析未显示其较SNP最近基因在下丘脑或脂肪组织中包含更多靶点；SNP包括错义、同义、内含子和3′UTR变异，并映射至既往与BMI、高脂血症、体质量、2型糖尿病和高血压相关的QTL。
两小鼠品系低脂组与高脂组之间的差异表达基因：C57BL/6N中Abcc3在肝和BAT升高、Nr1i3在肝升高，Adcy8在下丘脑和Mchr1在肾降低；BALB/c中Abcc3在肝升高、Dpp6在EWAT升高，Mchr1在回肠降低；热量限制相关分析显示Ahr、Nr1i3、Mchr1在肝和胃随限制增加，Ahr、Abcc3、Nlrp5、Kcnn4在胃、睾丸和EWAT降低；差异表达呈组织和品系特异性。
肥胖易感C57BL/6N品系低脂组与高脂组之间的差异表达基因：RNAseq显示Adcy8（下丘脑和回肠）、Ahr（肺和肝）、Mchr1（肌肉和肾）、Nova1（肌肉）、Nr1i3（肝）、Nlrp1a（脾）在C57BL/6N中受饮食显著影响而在BALB/c中不显著；QRT-PCR验证Ahr在肺和肌肉、Mchr1和Nova1在肌肉、Nr1i3在肝显著升高，Adcy8和Nlrp1a未获显著验证。

讨论与结论：讨论部分指出，Abcc3编码多药耐药相关蛋白3，在肝、肺和生殖器官等表达，其两个SNP与瘦表型相关，rs13481166导致终止密码子，但体质量降低与Abcc3突变的机制尚不清楚；Adcy8编码腺苷酸环化酶8，在胰岛β细胞和下丘脑/脑干表达，参与胰岛素分泌和中枢葡萄糖稳态调节，但4周HFD后未见显著差异表达；Mchr1编码黑色素浓集激素受体1，主要在中枢神经系统表达，MCH为负能量平衡信号，Mchr1缺失导致瘦表型、过表达增加体质量；Nlrp1a在脾和睾丸表达，炎症小体相关IL-18具抗肥胖作用，其内含子SNP rs3142849降低HFD下增重，但4周HFD后表达无显著差异；Nova1为神经元前mRNA剪接因子，脂肪细胞特异性缺失可逆转HFD诱导肥胖，本研究中在SWAT、下丘脑和脑干高表达并在HFD下肌肉中升高；Nr1i3编码CAR，Nr1i3敲除可改善ob/ob小鼠及高脂喂养相关血清甘油三酯升高。研究结论翻译：总之，研究人员鉴定出11个基因中的17个SNP，这些SNP强烈影响雄性小鼠在高脂饮食暴露时的脂肪增加水平。所鉴定基因在雄性和雌性小鼠中广泛表达于多种组织且表达模式一致，包括通常不被认为对脂肪储存调控重要的组织（如睾丸、肺和脾），11个基因中仅4个主要表达于下丘脑。当前脂肪储存调控模型强调脑-脂肪轴的作用，并认为消化道、肝、胰腺和脂肪组织有一定贡献。当前数据表明，体脂调控可能比这些当前模型所设想的更为复杂。理解这些在多组织表达的基因如何协同导致高脂喂养下体重增加，是未来一项关键目标。