铁调控的甲硫氨酸氧化还原轴驱动脂肪组织褐变与癌症恶病质

《Nature Cancer》：An iron-regulated methionine redox axis governs adipose browning and cancer cachexia

　　

脂肪组织褐变和萎缩是恶病质的早期事件，恶病质是一种致死性代谢紊乱，影响近半数癌症患者。研究人员利用个体来源的标本和小鼠模型，鉴定出一条铁依赖性通路，该通路在生理性和恶病质性背景下均可启动脂肪组织褐变。在脂肪细胞受到肾上腺素能刺激后，铁内流诱导甲硫氨酸亚砜还原酶A（MSRA）的活性，该酶可逆转蛋白质甲硫氨酸残基的氧化。机制上，铁通过两个MSRA多肽中保守的铁结合EXXH基序进行配位，从而促使MSRA二聚化、稳定化并提高其还原酶活性。铁结合的MSRA二聚体通过维持包括蛋白激酶A催化亚基在内的选择性底物的还原状态，进而促进脂肪组织褐变。值得注意的是，在小鼠模型中，MsrA缺失可损害脂肪组织褐变、缓解恶病质并延长荷瘤动物的生存期。因此，作为癌症相关恶病质的关键节点，β3肾上腺素能受体–铁–MSRA轴是临床干预的潜在靶点。

### 铁调控的甲硫氨酸氧化还原轴：连接脂肪褐变与癌症恶病质的关键机制

#### 研究背景与科学问题

癌症恶病质是一种以脂肪组织和骨骼肌进行性消耗为特征的代谢紊乱综合征，影响近半数癌症患者，尤其多见于胰腺导管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma, PDA）患者。恶病质导致患者非自主性体重下降、治疗反应差和死亡率升高。尽管恶病质的诱导因素尚不完全清楚，近年研究提示脂肪组织消耗先于肌肉丢失，且在实验动物中通过阻断脂肪消耗可保存肌肉质量。因此，阐明启动脂肪丢失的分子机制，对于揭示癌症恶病质的发病机理和开发新的临床干预策略具有重要意义。

哺乳动物体内存在储存能量的白色脂肪组织（white adipose tissue, WAT）和释放热量的棕色脂肪组织（brown adipose tissue, BAT）。在冷暴露等生理条件下，白色脂肪细胞可转化为具有棕色脂肪样特征的“米色”脂肪细胞，该过程称为“褐变”，其受交感神经释放的去甲肾上腺素激活的β3肾上腺素能受体（β3 adrenergic receptor, β3AR）信号调控。虽然WAT褐变通常与代谢健康相关，但失调的持续性产热重塑可驱动病理性能量消耗和全身性消耗。WAT褐变已被证明是癌症恶病质的早期标志，先于骨骼肌消耗。然而，调控这一过程的上游分子事件仍不明确。

#### 研究内容与核心发现

研究人员利用自发性KPC（Kras^G12D;p53^R172H;PdxCre）小鼠PDA模型和患者来源的脂肪组织标本，系统研究了癌症恶病质中脂肪褐变的起始机制，发现并阐明了一条铁依赖的β3AR–铁–甲硫氨酸亚砜还原酶A（methionine sulfoxide reductase A, MSRA）信号轴。该轴通过调控脂肪细胞蛋白质组中特定甲硫氨酸残基的氧化还原状态，驱动WAT褐变和脂肪萎缩，并在癌症恶病质的发病中发挥关键作用。

#### 主要技术方法

研究人员综合运用了多种前沿技术：使用KPC自发性PDA小鼠模型和原位移植模型，并结合MsrA基因敲除小鼠；采用蛋白质组学（global proteomics）和化学蛋白质组学（chemoproteomics，包括Ox-Alk和BIAM标记）分析全局甲硫氨酸和半胱氨酸氧化状态；运用SEC–MALS、Native PAGE、ICP–MS、紫外-可见光谱、定点突变和AlphaFold3/HADDOCK分子建模解析MSRA的铁结合与二聚化机制；利用TNP-ATP结合实验和PKA底物磷酸化分析评估蛋白激酶A催化亚基（PKAC）M71氧化对激酶活性的影响；通过AAV介导的脂肪组织特异性基因回补进行功能验证。样本队列包括KPC小鼠、原位移植小鼠、MsrA敲除小鼠，以及来自内布拉斯加大学医学中心快速尸检项目和哥伦比亚大学的外科手术获取的人类内脏脂肪组织标本（非肿瘤对照和PDA恶病质患者）。

#### 研究结果

##### MSRA在癌症恶病质诱导的WAT褐变中显著上调
KPC小鼠（mPDA）在肿瘤早期即出现体重下降和脂肪消耗，其sWAT中酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase, TH）表达升高，氧化磷酸化相关蛋白显著上调，脂肪细胞呈现多房脂滴形态并高表达UCP1。全局氧化修饰分析显示，与半胱氨酸氧化不同，甲硫氨酸氧化在恶病质WAT和急性冷暴露WAT中均显著增加。MSRA蛋白在荷瘤小鼠和恶病质患者的WAT中均强烈诱导，且可被β3AR激动剂CL-316243诱导。

##### 铁摄取稳定MSRA蛋白并诱导脂肪褐变
β3AR激活导致脂肪细胞内不稳定铁池扩大，TfR1表达升高。铁螯合剂DFP处理可逆转MSRA诱导和褐变，而铁补充（FAC或铁-右旋糖酐）足以诱导MSRA表达。脉冲追踪实验证明铁延长MSRA蛋白半衰期，且不依赖铁死亡通路。

##### 铁通过EXXH基序促进MSRA形成活性二聚体
重组MSRA在铁存在下呈现μ-氧桥双铁（Fe–O–Fe）特征光谱，ICP–MS证实MSRA免疫沉淀物富集铁。保守的E203/H206（EXXH基序）为铁结合所必需。铁促进MSRA形成二聚体，增强其稳定性。二聚化降低活性位点C72的pKa，提高其还原酶活性。E203A或AXXA突变废除铁诱导的二聚化和酶活性增强。

##### 化学蛋白质组学鉴定PKA为MSRA关键底物
Ox-Alk化学蛋白质组学在肿瘤WAT中鉴定出19个甲硫氨酸氧化降低的候选蛋白，其中7个在MsrA敲除WAT中氧化增加。PKAC的M71（紧邻ATP结合赖氨酸K72）被鉴定为MSRA的氧化还原敏感底物。M71氧化（以M71E模拟）降低PKAC蛋白稳定性、削弱ATP结合能力（结合亲和力降低约50%），而M71L不可氧化突变则维持PKA活性。

##### MSRA是β3AR信号和脂肪褐变所必需
MsrA敲除脂肪细胞中，PKAC氧化增加，异丙肾上腺素诱导的PKA底物磷酸化、HSL磷酸化和UCP1表达均受损，但cAMP产生不受影响。回补WT MSRA可恢复信号，而C72S（催化失活）和E203A（铁结合缺陷）突变无效。MsrA敲除小鼠在冷暴露下体温维持受损。

##### MSRA是PDA相关脂肪萎缩和恶病质所必需
在KPC小鼠中敲除MsrA（KPCM）不改变肿瘤负担，但显著减轻体重丢失、保存脂肪和肌肉质量、减少UCP1表达和局部产热，并逆转能量消耗增加。KPCM小鼠总生存期显著延长。脂肪组织特异性回补WT MSRA（而非E203A突变体）完全逆转生存获益并恢复体重下降表型。

#### 讨论与结论

本研究揭示了一条铁依赖的β3AR–铁–MSRA信号轴，该轴通过调控蛋白质甲硫氨酸氧化还原状态驱动WAT褐变，是癌症恶病质发病的关键节点。研究修正了MSRA仅作为组成型管家酶的传统观点，证明其在特定生理（冷诱导产热）和病理（癌症恶病质）情境中被独特需求。机制上，铁结合MSRA的EXXH基序促进其二聚化，增强稳定性和催化活性；活化的MSRA还原PKAC M71，维持PKA全酶活性，从而促进脂肪褐变。由于脂肪萎缩先于骨骼肌消耗，该轴作为恶病质早期启动因子，是极具前景的治疗干预靶点。研究结论指出，β3AR–铁–MSRA轴的药理学抑制可能为缓解癌症恶病质提供新策略。