SUCNR1协调肝细胞内的代谢流、线粒体功能及营养依赖的适应性

《SCIENCE ADVANCES》：SUCNR1 coordinates metabolic flux, mitochondrial function, and nutrient-dependent adaptation in hepatocytes

　　

琥珀酸（succinate）是线粒体代谢产物，亦可通过其受体琥珀酸受体1（SUCNR1，又称GPR91）作为细胞外信号分子，协调机体对营养可利用性的响应。然而SUCNR1在肝细胞内的生理作用尚不清楚。研究人员发现，肝脏琥珀酸水平及Sucnr1表达受营养状态动态调控。肝细胞特异性缺失Sucnr1的小鼠［Hep-Sucnr1 knockout（KO）］表现出类禁食表型，特征为糖异生增强、氨基酸升高及代谢灵活性受损。机制上，Sucnr1缺失削弱了葡萄糖来源的氧化碳流通过三羧酸（TCA）循环，增加对谷氨酰胺依赖的回补（anaplerosis）依赖，并诱导线粒体应激适应。再进食时，Hep-Sucnr1 KO小鼠显示哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）激活减弱、糖原恢复不完全及肝脏蛋白质组应答改变。Sucnr1表达于肝脏发育过程中上调，富集于中央静脉周围（pericentral）肝细胞，其缺失引起中央周区代谢功能的功能重编程但不破坏肝脏分区（zonation）。综上，本研究确立SUCNR1为肝脏代谢适应的关键调节因子，将琥珀酸信号与线粒体灵活性及营养依赖的代谢响应相偶联。

一、研究背景与立题依据

琥珀酸（succinate）是三羧酸（TCA）循环的关键中间产物，除参与线粒体呼吸链复合物II（CII/complex II）供能外，还可被转运至胞外激活G蛋白偶联受体SUCNR1（succinate receptor 1，亦称GPR91），发挥广泛的内分泌/旁分泌信号功能。既往研究表明SUCNR1参与肥胖、2型糖尿病及代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）等病理过程，并在脂肪细胞促瘦素分泌、β细胞促胰岛素分泌中具生理作用；在MASLD背景下SUCNR1被报道可拮抗肝细胞脂肪变并维持糖原储存。然而，SUCNR1在正常生理状态下肝细胞中的功能、其与营养波动及线粒体代谢流的关联，以及是否存在肝脏分区特异性分布，均属未知。肝脏通过门静脉-中央静脉轴（porto-central axis）形成肝细胞分区（zonation），门周（periportal）与中央周（pericentral）肝细胞代谢谱迥异，而琥珀酸-SUCNR1轴是否参与分区代谢特化尚无证据。鉴于餐后循环中琥珀酸升高及肝脏琥珀酸含量变化提示其可能作为营养感知信号，研究人员假设SUCNR1是肝细胞营养依赖性代谢适应的生理感受器，并就此开展研究。

本研究使用肝细胞特异性Sucnr1敲除（Hep-Sucnr1 KO）小鼠、同位素示踪、Seahorse线粒体功能检测、透射电镜、肝脏定量蛋白质组学、原代肝细胞分离及再进食-禁食转换模型，结合公开转录组数据库再分析，揭示SUCNR1在肝脏中摄食上调、富集于中央周肝细胞，通过维持葡萄糖来源TCA循环氧化流保障线粒体功能与代谢灵活性，其缺失导致类能量缺乏表型、糖异生亢进、谷氨酰胺回补代偿、线粒体形态/功能重塑及再进食应答受损，但不破坏经典肝脏分区架构。论文发表于《Science Advances》。

二、主要关键技术方法

研究人员采用肝细胞特异性Sucnr1敲除（Hep-Sucnr1 KO，Alb-Cre;Sucnr1^fl/fl）及全身Sucnr1^-/-小鼠，施行隔夜禁食、2 h再进食及长期热量限制处理；分离原代肝细胞进行¹³C-葡萄糖/¹³C-谷氨酰胺稳定同位素示踪分析代谢流（flux）；以Seahorse XF分析仪检测原代肝细胞及分离肝线粒体的耗氧率（OCR）与胞外酸化率（ECAR），并以罗滕酮（rotenone）+琥珀酸或苹果酸+丙酮酸分别刺激复合物II（CII）与复合物I（CI）；通过透射电镜量化线粒体形态学参数；对禁食及再进食后肝脏行定量蛋白质组学与基因集富集分析（GSEA）；对分离原代肝细胞行RNA测序（RNA-seq）分析分区相关基因签名；免疫组化检测SUCNR1、谷氨酰胺合成酶（GLUL/GS）及细胞色素P450 2F2（CYP2F2）的分区定位；再分析已发表小鼠肝脏单细胞/分区转录组数据确认Sucnr1分区表达；行葡萄糖耐受、胰岛素耐受、丙酮酸耐受及血浆生化/氨基酸/胆汁酸检测。

三、研究结果

Hepatic succinate secretion and Sucnr1 expression are regulated by nutritional status（肝脏琥珀酸分泌及Sucnr1表达受营养状态调控）

研究人员发现小鼠餐后血浆及再进食2 h肝脏琥珀酸水平较禁食升高；肝脏Sucnr1 mRNA在摄食及再进食24 h上调、禁食24 h下调，60%热量限制亦降低其表达，与公共转录组数据一致。体外AML12肝细胞在葡萄糖或谷氨酰胺处理下分泌琥珀酸增加（可被2-脱氧葡萄糖抑制），¹³C-葡萄糖和¹³C-谷氨酰胺均可标记胞内琥珀酸且谷氨酰胺来源标记更强，葡萄糖同时上调Sucnr1表达。结论：肝细胞在摄食态主动分泌琥珀酸且Sucnr1受营养正向调控，琥珀酸-SUCNR1轴具生理营养感知属性。

Hepatic Sucnr1 deficiency mimics energy deprivation and promotes gluconeogenesis（肝脏Sucnr1缺失模拟能量匮乏并促进糖异生）

Hep-Sucnr1 KO小鼠体重、血脂、糖耐量与对照无差异，但胰岛素耐受试验血糖曲线下面积增大，丙酮酸钠耐受试验（PTT）显示糖异生能力增强，隔夜禁食血糖更高且在禁食早期血糖下降较缓，伴循环生糖氨基酸（谷氨酰胺、丙氨酸、苏氨酸等）升高及胰高血糖素趋势升高，血酮体上升延迟。原代肝细胞在无糖培基加生糖前体时葡萄糖产量高于对照，但糖异生酶（G6Pase/PCK1）及转录因子（SIRT1/FOXO1）表达无差异。结论：肝细胞SUCNR1缺失模拟能量缺乏状态，通过底str驱动而非信号分子改变增强肝糖输出，生理性SUCNR1抑制空腹糖异生流。

Loss of Sucnr1 impairs TCA cycle flux and elicits compensatory mitochondrial adaptations in hepatocytes（Sucnr1缺失削弱TCA循环流并诱发肝细胞代偿性线粒体适应）

¹³C-葡萄糖示踪显示KO肝细胞琥珀酸标记降低，表明葡萄糖来源TCA氧化流受损；富营养条件下KO细胞糖酵解及TCA中间物（G6P、DHAP、乳酸、丙氨酸、苹果酸、琥珀酸）累积增多。¹³C-谷氨酰胺示踪见谷氨酸与延胡索酸标记升高而糖酵解中间物标记降低，提示谷氨酰胺更多进入氧化回补及还原羧化以代偿。AML12/THLE-2细胞SUCNR1沉默或拮抗降低OCR与ECAR及膜电位极化比例，可被激动剂逆转；但原代肝细胞整体OCR/ECAR与对照无差。分离肝线粒体在琥珀酸+罗滕酮（CII驱动）下KO小鼠基础与磷酸化呼吸、质子漏及ATP生成增高，CI底物（苹果酸+丙酮酸）无变化。电镜显示KO肝线粒体面积与周长减小、圆度增加（片段化/未成熟表型），数目不变；氧化磷酸化（OXPHOS）复合物表达无变。禁食态肝脏蛋白质组见147个差异蛋白，24个属线粒体（MitoCarta 3.0），下调线粒体翻译、血红素合成、磷脂代谢相关，上调复合体I组分及氨基酸代谢相关；GSEA示内质网（ER）应激/膜复合物上调、TCA组分下调。未折叠蛋白反应（UPR）/综合应激反应（ISR）标志物ATF6、ATF4、CHOP在再进食时升高，血浆AST/ALT轻度升高。结论：SUCNR1维持葡萄糖碳流入TCA，缺失致TCA流减、谷氨酰胺回补代偿、线粒体形态/转录重编程及轻度肝应激。

Sucnr1 deficiency disrupts hepatic protein response during metabolic transition from fasting to refeeding（Sucnr1缺失扰乱禁食-再进食过渡期肝脏蛋白质组应答）

再进食2 h后对照肝475个差异蛋白，KO仅195个，重叠少；GSEA示对照激活胞内运输/ER膜通路，KO则OXPHOS及线粒体内膜复合物下调。再进食时KO肝mTOR（p-mTOR/t-mTOR）激活减弱，糖原储积增幅低于对照，血浆氨基酸谱改变异常。结论：SUCNR1是禁食-再进食代谢转换所需，缺失损害营养感应→mTOR活化→糖原合成及再进食蛋白质组重编程，导致代谢不灵活。

SUCNR1 is postnatally induced, enriched in pericentral hepatocytes, and regulates pericentral metabolism（SUCNR1出生后诱导表达、富集于中央周肝细胞并调节中央周代谢）

免疫组化及公共分区数据证实成年鼠肝SUCNR1蛋白主要位于中央周肝细胞；Sucnr1 mRNA生后（P10/P14）较胚胎期上调20倍，成年达30倍。原代肝细胞RNA-seq见KO细胞中中央周基因签名富集、门周标志及Wnt通路组分下调，GO分析示中央周上调基因为氨基修饰/激素/不饱和脂肪酸代谢，门周下调为TCA/小分子分解代谢。GLUL（中央周标志）染色面积无变但平均光密度增高，CYP2F2（门周标志）无变，提示未破坏分区架构而选择性重编程中央周功能，循环胆汁酸趋升。结论：SUCNR1生后随肝成熟上调、空间定位于中央周肝细胞，缺失引起中央周代谢功能代偿性上调但不改变经典肝脏分区模式。

四、讨论与结论翻译

讨论指出，本研究首次赋予SUCNR1在生理状态下肝细胞中的直接调节作用——整合营养可利用性与线粒体氧化流及代谢灵活性。肝细胞摄食时分泌琥珀酸且Sucnr1受营养上调，SUCNR1缺失产生类能量匮乏表型（糖异生增强、再进食应答钝化、谷氨酰胺回补代偿TCA流减、线粒体重塑及轻度应激）。SUCNR1促进葡萄糖来源碳高效进入TCA氧化，其丢失引发底物-氧化解耦合并迫使谷氨酰胺依赖回补，符合线粒体功能障碍时代谢重编程模式。分离线粒体CII呼吸增强为原位适应性改变，完整原代肝细胞OCR不变反映体内分化肝细胞具缓冲能力。蛋白质组/超微结构证实线粒体翻译与形态适应及慢性轻度肝应激（UPR/ISR↑、转氨酶↑）。再进食时mTOR活化不足、糖原恢复不全及蛋白质组转换受阻凸显SUCNR1在营养转换中的协调作用。SUCNR1生后诱导、富集中央周，缺失选择性影响中央周代谢程序而不破坏zonation架构，与其抑制门周样糖异生、协同中央周糖酵解/谷氨酰胺代谢的功能相符。

研究结论（翻译）： 本研究发现SUCNR1是将琥珀酸信号与线粒体氧化碳流、细胞应激响应及肝细胞营养依赖代谢适应相偶联的代谢感受器。通过促进底物可利用性与线粒体功能间的高效偶联，SUCNR1在营养供给生理性波动时支撑肝脏代谢灵活性。该轴的失调可能促成以线粒体应激及代谢适应性受损为特征的肝脏病变。