ATM通过抑制线粒体过度代谢与生物能量危机维持MASLD肝脏稳态

《EMBO Molecular Medicine》：ATM safeguards liver homeostasis by mitigating mitochondrial hypermetabolism and bioenergetic crisis in MASLD

　　

代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）及其进展阶段——代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）发病率的上升，代表了最常见的慢性肝脏疾病和主要的健康问题。驱动这一进展的关键分子机制仍不清楚。研究人员证明，复制应激（RS）是人类MASLD所有阶段的显著标志，而ATM介导的DNA损伤反应（DDR）特征则特异性地与晚期纤维化MASH相关。利用临床前MASLD模型，研究人员表明ATM（共济失调毛细血管扩张突变蛋白）作为一个关键的代谢保护因子。肝细胞特异性缺失ATM会显著加重肝损伤和纤维化。机制上，ATM缺陷的MASLD肝细胞表现出耗氧量增加和三羧酸（TCA）循环通量加速，驱动伴随质子泄漏、活性氧（ROS）产生和线粒体自噬的代谢激增。这种线粒体功能障碍导致严重的肝核苷酸池失衡、能量缺乏和毒性脂质积累。总之，这些发现揭示，ATM除了其经典的DNA修复作用外，还通过抑制线粒体过度代谢和防止MASLD进展过程中的生物能量危机来维护肝脏稳态。

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一、研究背景与科学问题

代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD），曾被称为非酒精性脂肪性肝病（NAFLD），已成为全球最常见的慢性肝病病因。其进展形式——代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH），以肝细胞损伤、炎症和纤维化为特征，显著增加了发展为肝硬化乃至肝细胞癌（HCC）的风险。尽管MASLD/MASH的发病率持续攀升，但其从单纯脂肪变性向晚期纤维化MASH进展的关键分子机制仍未阐明。既往研究已知，DNA损伤反应（DDR）通路在维持组织稳态中至关重要，而MASLD患者肝细胞中DNA损伤水平升高。然而，DDR信号网络，特别是共济失调毛细血管扩张突变蛋白（ATM）激酶，在该疾病进程中的具体功能和调控机制尚不清晰。因此，本研究旨在系统解析DDR基因谱在MASLD不同阶段的动态变化，并深入探究ATM在MASLD发病中的非经典功能。

二、研究概述与主要结论

本研究通过对包含非MASLD对照（CTR）、代谢功能障碍相关脂肪肝（MAFL）和晚期纤维化MASH（MASH_F3）患者的欧洲队列进行转录组学分析，揭示了复制应激（RS）是贯穿MASLD全病程的普遍分子标志，而ATM驱动的DDR特征则特异性地富集于晚期纤维化MASH阶段。进一步，研究人员利用肝细胞特异性ATM敲除小鼠模型，结合胆碱缺乏高脂饮食（CD-HFD）诱导的MASLD模型，发现ATM缺失显著加剧了肝损伤和纤维化。更重要的是，这种恶化效应独立于ATM在核内DNA修复和补偿性增殖中的经典功能。深入的代谢组学和脂质组学分析显示，ATM缺失导致MASLD肝脏发生深刻的中心碳代谢重编程，引发严重的核苷酸池失衡和腺苷酸能荷下降，同时促进饱和脂肪酸等脂毒性脂质的积累。机制研究表明，ATM缺失驱动了MASLD肝细胞线粒体的异常过度活跃，表现为耗氧率（OCR）升高、三羧酸（TCA）循环通量加速、质子泄漏增加，并伴有活性氧（ROS）爆发和线粒体自噬增强。这些发现确立了ATM作为限制MASLD进展过程中线粒体过度代谢和生物能量危机的关键代谢保护因子的新角色。

三、关键技术方法

1. 1.
   人类队列转录组学分析：利用来自欧洲MASLD患者队列（Govaere等人，2020年）的肝脏RNA测序数据，包括10例非MASLD对照、51例MAFL和54例MASH_F3患者，对包含351个DNA损伤反应（DDR）相关基因的定制面板进行分析，鉴定差异表达基因并进行过代表征分析（ORA）。
2. 2.
   临床前小鼠模型：采用胆碱缺乏高脂饮食（CD-HFD）喂养C57BL/6J雄性小鼠6个月，建立模拟人类MASLD/MASH病理特征的临床前模型。
3. 3.
   体内基因编辑：利用携带CRISPR-Cas9系统的腺相关病毒（AAV8-Tbg-SaCas9）通过尾静脉注射，在成年小鼠肝细胞中特异性敲除目的基因（Atm-sg）或对照位点（Rosa26-sg）。
4. 4.
   多组学分析平台：整合靶向质谱（MS）为基础的代谢组学、液相色谱-串联质谱（LC-ESI-MS/MS）和气相色谱-质谱（GC-MS）脂质组学，以及肝脏RNA测序（RNA-seq）进行基因集富集分析（GSEA）。
5. 5.
   功能性线粒体评估：分离原代肝细胞，利用海马（Seahorse）XF细胞外流量分析仪进行线粒体压力测试，测量耗氧率（OCR）；结合透射电子显微镜（TEM）观察线粒体超微结构和自噬结构，以及流式细胞术检测细胞和线粒体ROS、脂质过氧化和谷胱甘肽（GSH/GSSG）比值。

四、主要研究结果

1. 从复制应激到DNA损伤：MASLD发病机制的一条通路

通过对MASLD患者肝脏转录组的分析，研究发现几乎所有阶段（MAFL和MASH_F3）的肝脏均上调了与DNA复制延伸和ATR信号相关的基因，表明复制应激（RS）是MASLD的普遍标志。而在进展至晚期纤维化MASH（MASH_F3）时，才出现一个独特的、涉及ATM信号、细胞周期检查点和衰老的DDR基因特征，例如MRE11、TP53BP1、FANCI、FANCD2和RAD51的上调。这种DDR转录改变局限于肝脏实质，在皮下和内脏脂肪组织中未观察到。

2. 肝细胞ATM缺失：小鼠MASLD更严重表型的驱动因素

在CD-HFD诱导的MASLD小鼠模型中，肝细胞特异性敲除ATM（Atm-sg）并未影响正常饮食下的肝脏稳态。但在MASLD条件下，Atm-sg小鼠肝脏表现出更严重的脂肪变性、肝细胞损伤、更高的NAS评分和更显著的纤维化（胶原沉积增加，纤维化相关基因表达上调），并伴有CD8⁺T细胞的浸润。值得注意的是，ATM缺失并未增加γH2AX阳性细胞（DNA损伤标志）或改变Ki-67阳性细胞（增殖标志），表明其加重肝损伤的作用独立于经典的核内DNA修复和增殖功能。

3. 揭示ATM与MASLD中毒性脂质积累的联系

全面的脂质组学分析显示，在MASLD背景下，ATM缺失导致肝脏脂质组发生重塑，特异性地富集了棕榈酸（FFA(16:0)）、二酰甘油（DG(16:0/16:0)）和神经酰胺（Cer(d18:1/16:0)）等已知的脂毒性脂质种类，并导致总二酰甘油（DAG）和饱和脂肪酸（SFA）的显著积累。而在标准饮食下，ATM缺失并未诱导此类脂毒性脂质谱，反而增加了被认为具有保护作用的三酰甘油（TAG）。

4. ATM缺陷重编程中心碳代谢和脂肪酸代谢的多个方面

靶向代谢组学分析揭示，MASLD状态下ATM缺失导致严重的核苷酸池失衡（ATP、GTP、CTP、UTP减少，而其单磷酸形式增加），腺苷酸能荷降低50%，指示严重的能量危机。同时，糖酵解中间产物（如G6P、乳酸）和三羧酸（TCA）循环中间产物（如α-酮戊二酸、琥珀酸）水平下降，而延胡索酸和苹果酸积累，表明氧化代谢受损。此外，还观察到NAD⁺/NADH平衡逆转和NAD⁺池耗竭。网络拓扑分析将这些代谢紊乱与核苷酸代谢、丙酮酸/胰岛素信号、MASLD和2型糖尿病以及DNA修复通路联系起来。

5. MASLD肝脏中ATM缺失影响线粒体功能

RNA-seq的基因集富集分析（GSEA）显示，在MASLD的ATM缺陷肝脏中，与氧化磷酸化（OXPHOS）、电子传递链（ETC）、线粒体呼吸链组装和ATP合成相关的基因集显著富集，编码呼吸链复合物亚基和内线粒体膜成分的转录本协调上调，提示线粒体活性的异常增强。

6. ATM缺失促进MASLD肝细胞中线粒体高耗能低效状态

对分离的原代肝细胞进行的海马（Seahorse）分析证实，在MASLD而非标准饮食条件下，ATM缺陷肝细胞的基础呼吸和最大呼吸耗氧率（OCR）均显著高于对照组，并且伴随质子泄漏的增加。线粒体DNA（mtDNA）拷贝数无差异，但柠檬酸合酶活性增强。CPT1抑制剂依托莫西（Etomoxir）实验排除了脂肪酸氧化作为主要驱动因素。ATM缺陷还导致细胞和线粒体ROS水平升高、脂质过氧化增加以及GSH/GSSG比值下降。透射电镜（TEM）观察到ATM缺陷肝细胞中自噬体和自溶酶体（内含降解中的线粒体）显著增多，同时LC3B-II蛋白表达上调，表明线粒体自噬（Mitophagy）被激活。

五、总结与讨论

本研究首次系统描绘了MASLD进程中DNA损伤反应（DDR）的转录组图谱，明确了复制应激（RS）是早期普遍事件，而ATM信号通路是晚期纤维化MASH的特异性标志。更重要的是，研究揭示了一个超越其经典DNA修复功能的、ATM在代谢稳态中的全新角色：在代谢应激（MASLD）条件下，肝细胞内的ATM充当着“代谢制动器”的角色，通过限制线粒体的过度活跃和无效循环，防止生物能量危机和脂毒性脂质的积累，从而保护肝脏免受损伤和纤维化。ATM缺失导致线粒体陷入一种“高耗能-低效率”的恶性状态，表现为耗氧增加、产能下降、ROS爆发和线粒体自噬激活，最终驱动疾病进展。

研究结论：本研究揭示ATM在MASLD进展过程中，通过抑制线粒体过度代谢和防止生物能量危机来维护肝脏稳态的非经典功能。这些发现将ATM通路定位为限制MASLD疾病进展的潜在代谢保护因子。