棕色脂肪组织通过营养背景依赖的葡萄糖利用代谢灵活性维持产热：GLUT4而非GLUT1的关键作用

《Nature Metabolism》：Brown adipose tissue sustains thermogenesis through metabolic flexibility in glucose utilization

　　

棕色脂肪组织（BAT）是一种冷激活器官，通过将线粒体呼吸与ATP合成解偶联来产热。激活的BAT在小鼠和人类中每克组织可消耗极大量葡萄糖。然而，BAT葡萄糖利用的语境、机制和必要性在体内仍出乎意料地未明确。在此，研究人员表明，尽管BAT产热在多种饮食背景下得以维持，其葡萄糖利用对饮食尤其敏感。重要的是，研究人员发现冷诱导的BAT葡萄糖摄取和产热独立于先前提出的关键转运体GLUT1。相反，诱导性GLUT4缺失可消除冷诱导的葡萄糖摄取，并且仅在冷应激期间膳食脂质较低时损害BAT产热。研究人员进一步阐明，当替代营养素充足时，棕色脂肪细胞具有在没有糖酵解的情况下维持ATP水平的意外能力，即使在显著线粒体解偶联期间也是如此。总之，该工作表明BAT通过跨营养背景的显著代谢灵活性维持产热。

研究背景：棕色脂肪组织（BAT）是冷激活的产热器官，解偶联蛋白1（UCP1）使线粒体呼吸与ATP合成解偶联，产生非战栗产热（NST）。激活的BAT每克组织可消耗极大量葡萄糖，这也是[¹⁸F]-氟-2-脱氧-D-葡萄糖（¹⁸FDG）正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT）识别人BAT的基础。然而，BAT葡萄糖利用的体内背景、机制和必要性仍未明确。BAT表达GLUT1和GLUT4，但体外研究提出冷诱导葡萄糖摄取由GLUT1而非GLUT4驱动，尚缺乏体内遗传模型验证；多数研究使用葡萄糖占优的谷物饲料，饮食背景单一；BAT在热中性条件下也摄取葡萄糖，UCP1缺失并不一致降低BAT葡萄糖摄取，且BAT是净乳酸产生器官，人BAT数据与小鼠间接研究存在矛盾。因此，研究人员结合饮食范式、遗传模型和环境操控，回答BAT葡萄糖利用的语境、机制和必要性。研究结论表明，BAT产热跨多种饮食背景维持，而葡萄糖利用对饮食高度敏感；冷诱导BAT葡萄糖摄取和产热不依赖GLUT1；诱导性GLUT4缺失消除冷诱导葡萄糖摄取，并仅在冷应激且膳食脂质低时损害BAT产热；棕色脂肪细胞在替代营养充足时可无需糖酵解维持ATP；UCP1依赖产热在葡萄糖摄取受抑制时足以维持BAT NST，CKB和TNAP并非必需。该研究强调BAT的显著代谢灵活性，并提示人BAT的¹⁸FDG-PET/CT解读需考虑胰岛素敏感性和营养背景。
关键技术方法（不超过250字）：研究人员使用C57BL/6J小鼠及Ucp1^?/?、Glut1^fl/fl、Glut4^fl/fl、Ckb^fl/fl、Alpl^fl/fl等品系（部分来自The Jackson Laboratory或赠予），构建Ucp1-CreERT2或Adipoq-Cre介导的棕色脂肪细胞/脂肪细胞选择性敲除；采用28°C、室温、18°C、6°C温度控制住房及NCD、LFD、RFD、MFD、HFD、VHFD、ZFD、KD等饮食；通过前视红外（FLIR）热成像测ΔT_{Interscap.-Lumbar}、体内2-[³H]-deoxyglucose摄取、体温和间接测热评估产热；采用bulk RNA测序、qPCR、Western blot、极性代谢组学、离体BAT呼吸；原代棕色脂肪细胞取自4–6周龄雄性C57BL/6J小鼠BAT，进行葡萄糖/半乳糖培养及ATP和葡萄糖利用测定。
研究结果：
1. 通过FLIR热成像评估BAT NST（Assessment of BAT NST via FLIR thermography）：研究人员以肩胛间与腰椎温度差ΔT_{Interscap.-Lumbar}为指标，在β3肾上腺素能受体（β3-AR）激动剂CL-316,243和Ucp1^?/?对照中验证其反映BAT NST；单用肩胛间温度不可靠。结论是ΔT_{Interscap.-Lumbar}可作为自由活动小鼠BAT NST的可靠代理。
2. 标准条件下冷暴露与BAT糖酵解活性密切相关（Cold exposure is closely associated with BAT glycolytic activity under standard conditions）：比较6°C与28°C，BAT脂滴耗竭，RNA测序、qPCR和Western blot显示糖酵解及从头脂肪生成（DNL）诱导，Slc2a1和Slc2a4表达增加，GLUT4绝对丰度高，2-[³H]-deoxyglucose显示冷诱导BAT葡萄糖摄取。结论是标准饮食下冷暴露与BAT葡萄糖利用强相关。
3. 饮食选择不损害冷暴露全身体和BAT特异性产热反应（Diet choice does not impair whole-body or BAT-specific thermogenic responses during cold exposure）：采用蛋白和蔗糖匹配的LFD至VHFD及ZFD、KD，冷暴露时能量摄入、体重、核心体温、BAT产热和BAT呼吸在匹配饮食间无实质差异。结论是BAT产热跨广泛饮食背景维持。
4. BAT葡萄糖代谢与温度和饮食强共依赖（BAT glucose metabolism exhibits a strong codependence on temperature and diet）：VHFD与LFD比较，冷激活BAT脂滴更大更多，RNA测序和极性代谢组学显示糖酵解转录及代谢物下降，GLUT4、FASN和ACLY降低，GLUT1和ETC蛋白稳定，CKB升高，VHFD消除约90%冷诱导葡萄糖摄取。结论是饮食背景决定BAT糖酵解能力。
5. 饮食响应性BAT糖酵解蛋白表达与ChREBPβ作用相关（Diet-responsive changes in BAT glycolytic protein expression are linked to the actions of ChREBPβ）：短期3天室温饮食已足以降低BAT而非心脏的糖酵解蛋白；Chrebpb的冷诱导依赖富糖饮食，禁食下CL-316,243或6°C不诱导Chrebpb，而经典产热标志仍诱导。结论是BAT糖酵解能力经ChREBPβ及其下游靶点对饮食敏感。
6. GLUT1对BAT NST和葡萄糖摄取非必需（GLUT1 is dispensable for BAT NST and glucose uptake）：构建诱导性棕色脂肪细胞选择性Glut1^iKO_Ucp1和组成性脂肪细胞选择性Glut1^cKO_Adipoq小鼠，在LFD/VHFD、禁食冷暴露及KD冷暴露中，冷耐受、BAT NST和BAT葡萄糖摄取无差异。结论是不支持GLUT1在体内有有意义作用。
7. GLUT4是冷激活BAT关键葡萄糖转运体（GLUT4 is the critical glucose transporter in cold-activated BAT）：诱导性棕色脂肪细胞选择性Glut4^iKO_Ucp1在6°C LFD下将BAT葡萄糖摄取降至热中性水平，ΔT_{Interscap.-Lumbar}和总UCP1含量约降30%，BAT质量、总蛋白和RNA约降40%，Chrebpb诱导被阻断，糖酵解/DNL基因降低；28°C或MFD冷暴露可挽救。结论是GLUT4决定冷激活BAT葡萄糖摄取，并在严重冷应激且膳食脂质有限时支持最佳BAT NST。
8. 产热刺激期间棕色脂肪细胞ATP产生不需要葡萄糖摄取（Glucose uptake is not required for brown adipocyte ATP production during thermogenic stimulation）：原代棕色脂肪细胞在葡萄糖或半乳糖培养基中经去甲肾上腺素（NE）刺激，半乳糖条件无细胞外葡萄糖但ATP维持；单抑制UK5099、BPTES或etomoxir不足，三抑制降低ATP，NE加oligomycin在半乳糖条件才暴露脆弱。结论是替代营养充足时棕色脂肪细胞可无需糖酵解维持ATP。
9. 抑制葡萄糖摄取时UCP1依赖产热足以维持BAT NST（UCP1-dependent thermogenesis is sufficient for BAT NST when glucose uptake is suppressed）：GLUT4与CKB表达呈反向关系；Ckb^cKO_Adipoq和Alpl^cKO_Adipoq小鼠在VHFD冷暴露中无产热缺陷，即使冷诱导葡萄糖摄取几乎消除仍耐冷。结论是UCP1依赖产热完整且足够，CKB和TNAP并非必需。
讨论部分总结：研究人员提供体内直接证据表明冷诱导BAT葡萄糖摄取依赖GLUT4，其缺失可减弱BAT NST但不引起低体温；在严重冷应激且LFD时，GLUT4缺失反映营养可用性与生物能量需求不匹配，而增加膳食脂质可预防该功能障碍；VHFD使BAT GLUT4蛋白和葡萄糖摄取快速下降约90%却无BAT NST损害。原代棕色脂肪细胞显示ATP合酶仍为ATP主要来源，糖酵解在NE刺激时可贡献约40% ATP但非必需。BAT糖酵解蛋白组对饮食高度敏感且依赖GLUT4，GLUT4与CKB反向关系及其协调程序在棕色脂肪细胞中的功能仍不清楚。人BAT以¹⁸FDG-PET/CT定义可能暗示BAT必须具有显著葡萄糖摄取才具产热或功能，但若GLUT4是人激活BAT葡萄糖摄取的主要机制，则BAT葡萄糖摄取可依赖个体胰岛素敏感性和营养背景；GLUT1在体内的贡献可能较细胞研究预期有限，建议将替代成像方法与¹⁸FDG-PET/CT结合以阐明人BAT生理作用。
研究结论（译自原文）：棕色脂肪组织（BAT）通过跨营养背景的显著代谢灵活性维持产热。