非靶向代谢组学-经典案例-诺禾致源

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非靶向代谢组学

产品介绍

经典案例

结果展示

琥珀酸累积对脂肪组织热激活的影响

Accumulation of succinate controls activation of adipose tissue thermogenesis

研究对象: 小鼠棕色脂肪组织
发表单位: 哈佛医学院&麻省理工学院
发表时间: 2018 年7月
发表期刊: Nature
影响因子: 41.577

一、研究背景

棕色和米色脂肪组织的热生成激活会增加能量消耗，并能改善代谢疾病。在寒冷环境中刺激，肾上腺素和棕色脂肪组织（ BAT）产生热量能够改善人体代谢。然而，迄今为止肾上腺素能受体的靶向药理作用在应用上受到限制。

二、研究策略

取样策略

质谱策略

信息分析

C57BL/6J小鼠暴露在4°C、 23 °C和29 °C环境中BAT. SubQ和附睾脂肪组织

非靶代谢组: Q Exactive Plus orbitrap(Thermo) 靶向代谢组: UPLC (Waters) -QTRAP550(AB)

ANOVA、T检验

三、研究结果

1.确定脂肪组织产热的代谢特征
采用比较代谢组学的方法筛选小鼠脂肪组织中产热的代谢特征（图1a），发现只有两个代谢物符合条件（图 1a-d）。一个为三羧酸循环（TCA）中间产物琥珀酸，另一个为cAMP-蛋白激酶A信号通路（为已知的传导刺激产热途径）中的AMP。采用靶向代谢进一步验证，在4℃低温刺激下，发现BAT中琥珀酸水平明显高于TCA循环中的其它代谢物（图1e，f）。图1琥珀酸的选择性累积是脂肪组织热发生的代谢特征
2.确定琥珀酸的来源
通过尾静脉注射[U-¹³C]葡萄糖和[U-¹³C]棕榈酸，发现BAT在4℃低温刺激下，[U-¹³C]葡萄糖不影响琥珀酸的含量。推测BAT能够从细胞外鳌合琥珀酸（图2a）。标准培养基培养原代棕色脂肪细胞，发现缺乏琥珀酸，加入[U-¹³C]琥珀酸细胞内琥珀酸浓度水平显著升高（图 2b）。在BAT中分离的白色脂肪细胞未发现琥珀酸、富马酸和α-酮戊二酸的内化（图2c-d）。由于BAT中琥珀酸内化，在TCA循环中标记的琥珀酸下游代谢物累积（图 2e-f）。尾静脉注射 [U-¹³C]琥珀酸，在BAT中快速累积琥珀酸及TCA循环下游代谢物（图2g-h）。结果表明，棕色脂肪细胞具有从细胞外环境中积累和内化琥珀酸的能力。图 2棕色脂肪细胞累积和氧化细胞外琥珀酸
3.琥珀酸的产热控制
在棕色脂肪细胞中加入琥珀酸会导致强烈的UCP1浓度依赖性呼吸刺激（图3a-c）。此外，与其它底物相比，琥珀酸能够提高呼吸能力（图3d），但仅限于成熟的原代棕色脂肪细胞（图3e）。利用线粒体靶向抗氧剂MitoQ、N-乙酰半胱氨酸（NAC）或呼吸链电子回路等控制琥珀酸依赖呼吸（图 3f-g）。所有这些途径都需要通过琥珀酸脱氢酶（SDH）上的黄素位点进行琥珀酸氧化。丙二酸是SDH黄素氧化琥珀酸的竞争性抑制剂，抑制琥珀酸依赖的活性氧产生和琥珀酸依赖呼吸（图3h）。图3 琥珀酸通过SDH氧化和ROS控制棕色脂肪细胞的产热
4. 高脂喂养小鼠体内成分发生变化
实验组高脂饲料喂养，并给予含琥珀酸的水，无明显变化，对照组高脂喂养4周后体重增加（图 4a）。首先，琥珀酸的摄入不会抑制热量的摄入（图 4b）。能量平衡表明琥珀酸在4周内促进了能量消耗的增加（图4c），同时还能够降低空腹血糖水平（图 4d），在UCP1（KO）小鼠中，琥珀酸补充剂对体重增加有抑制作用（图4e，f）。图4琥珀酸的增加刺激体内UCP1依赖性产热并防止肥胖

研究结论

确定TCA循环中间体琥珀酸激活BAT产热的机制。琥珀酸通过SDH氧化触发线粒体产生ROS对脂肪组织产热的急性控制，并且棕色脂肪细胞能够代谢细胞外的琥珀酸。发现棕色脂肪组织的UCP1依赖性产热对饮食诱导的肥胖具有强有力的保护，并能够提高葡萄糖的耐受性。

参考文献

Mills EL, Pierce KA, Jedrychowski MP, et al. Accumulation of succinate controls activation of adipose tissue thermogenesiNature [J]. nature,2018.