Nature Metabolism：甘油三酯循环并非是“无用功”
2023年4月，德国波恩大学的相关研究人员在《Nature Metabolism》（IF: 19.9）上发表了题为“Triglyceride cycling enables modification of stored fatty acids”的研究论文，使用炔烃脂肪酸示踪剂结合质谱法，对脂肪细胞中的甘油三酯循环进行了分子种类分辨率的量化分析，揭示了其对能量稳态的影响。
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炔烃标记脂肪酸结合同位素示踪和质谱分析，可同时定量地跟踪多重脂肪酸代谢。
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甘油三酯（TG）循环过程中，会经历快速脂肪酸转化和重新排列，其半衰期约2-4h。
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TG循环可对细胞存储的脂肪酸进行调节，将饱和脂肪酸逐渐转化为单不饱和脂肪酸，亚油酸则转化为花生四烯酸。
研究背景：
甘油三酯/脂肪酸(TG/FA)循环是指储存的脂肪部分或完全降解，以释放游离FAs，随后这些FAs被用于重新合成新的TG分子的过程。这种循环以ATP的形式消耗能量，而产物浓度没有任何净变化，因此被认为是“徒劳”的。
目前尚不清楚底物循环的有益影响是否可能超过能量成本，或者底物循环是否是复杂网络中不可避免的缺陷。早期对TG/FA循环的研究强调其调节作用，特别是在适应快速能量消耗变化发方面，而循环的能量成本被认为很小。然而，近年来，人们对这一循环的兴趣不断增加，因为循环可能在脂肪组织中实质性地促进热原性。对热原途径的更好理解可能会导致影响能量消耗的新策略，可能在对抗全球肥胖中有帮助。
实验技术的局限性是深入了解TG/FA循环的主要障碍。使用传统同位素标记法进行代谢追踪时，底物和产物在循环一轮后可能已经变得难以区分。目前还缺少一种直接追踪实验来证明存储的TG可通过重复利用其脂酸链产生新的TG分子组合，这需要对所有可能的标记TG分子进行全面的多重追踪，是一个巨大的技术挑战。
通过标记FAs来追踪TG循环
研究人员开发了一种基于炔烃标记的FAs的示踪技术，结合了研究TG/FA循环所需的所有特征：高灵敏度和明确的特异性，特别是易于区分单标记和多标记的脂质种类。为了仅用三种FAs覆盖广泛的长度和不饱和度，且在同时追踪过程中可以明确区分，研究人员组合了饱和奇数中链炔烃FA 11:0;Y、多不饱和长链偶数链炔烃PUFA 18:2;Y、以及同位素标记的饱和长链炔烃FA 13C9-16:0;Y。前两者在与内源性偶数FA代谢组合时，将分别产生可区分的奇数和偶数代谢物。第三种示踪剂的代谢物可以很容易地通过同位素标记区分。这一策略还被扩展到分析其他脂质类别，包括含有一个以上标记FA的多重标记物种，最终的全面分析涵盖了8类脂质。
定量结果表明，中链FA 11:0;Y对TG和甘油二酯（DG）有明显的偏好，而两种长链FA;Ys在磷脂和中性脂质中都有存在。在磷脂中，PUFA 18:2;Y比饱和FA 16:0;Y更丰富。在TG中，FA 11:0;Y更倾向于单标记的TG，而其他FA;Y则在单标记和双标记的TG种类中有相似的发现频率。
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FA;Y在3T3-L1脂肪细胞中的总掺入量和脂类偏好
利用该新方法，研究人员对3T3-L1脂肪细胞的脂质代谢进行了时间分辨分析。测定主要脂质类别中标记物的总量后发现，吸收的总FA;Y在FA 16:0;Y中随时间基本不变，在FA 18:2;Y中略有增加，但在中链FA 11:0;Y中明显降低。与脂肪细胞模型一致，大部分标记脂肪酸都被合并到TG中。在TG;Y中，FA 11:0;Y的总量减少，而长链FA;Y的量保持不变（FA 16:0;Y）或在追踪过程中增加（FA 18:2;Y）。
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在追踪实验中，三种FA;Ys在3T3-L1脂肪细胞主要脂类中的时间分布
随后，研究人员通过追踪200多个物种来分析三个TG;Yn存储中FA;Y的分布情况。发现TG会经历脂肪酸的快速周转和重新排列。例如，在追踪期间，单标记的TG;Y1物种大量增加，特别是含有长链FA;Y的物种，同时所有三种FA;Y在双标记和三标记的TG;Yn物种中显著减少，其半衰期大约为2-4 h。此外，研究人员通过调整FAs的标记组合，以及使用同位素标记的FA取代炔烃标记的FA进行类似的跟踪实验，发现TG循环都表现出相似的动力学。
3T3-L1脂肪细胞中TG周转和TG循环的动力学
使用FA 18:2;Y标记后的TG;Y1种类的分析表明，在该脂类中，一些种类相对稳定，而另一些种类的增长比总趋势更为强烈。通过MS2分析，确定了稳定的种类为TG 52:4;Y，包含未标记的FA 16:1和FA 18:1以及标记的FA 18:2;Y。增加的种类被确定为TG 52:6;Y，包含两个未标记的FA 16:1和一个标记的FA 20:4;Y，表明标记FA;Y本身通过延伸和去饱和进行代谢。
3T3L1脂肪细胞标记脂质中FA;Y转化的检测
在两种FA组合中，最强的改变发生在多不饱和FA 18:2;Y，经过碳链延伸和去饱和，FA 18:3;Y、FA 20:3;Y和FA 20:4;Y是最突出的产物。饱和FA 16:0;Y的改变略少，主要是通过延伸和去饱和，产生FA 16:1;Y和FA 18:1;Y。FA 11:0;Y被部分降解，生成FA 7:0;Y和9:0;Y，部分延长为FA 13:0;Y和15:0;Y。FA 19:1;Y被部分降解为FA 17:1;Y，在很小的范围内也被延长为FA 21:1;Y。
添加FA;Y在3T3-L1脂肪细胞中FA修饰的时间进程
最后，研究人员对小鼠原代白色和棕色脂肪细胞进行了追踪实验。在这两个系统中，TG循环的速率与3T3-L1脂肪细胞中的相当。使用肉碱棕榈酰转移酶-1（CPT1）抑制剂部分抑制β 氧化后，两种脂肪细胞类型的循环速率明显增加。这一观察结果与循环需要TG的初始裂解和TG分子的重新合成的观点是一致的。如果最初释放的FA被β氧化降解，则较少标记的TG;Y1将由未标记的DG产生，因此循环的表观效率和速率将降低。
白色和棕色脂肪细胞中的TG循环
综上所述，该研究提供了脂肪细胞中甘油酯-脂肪酸循环存在及TG循环速率的直接证据，强调了TG循环对于监测和维持脂肪细胞中储存的FA组成的重要作用。考虑到这种循环的高能耗性质，它可能是系统能量稳态和急性热原适应以及脂质物种多样性和可用性的贡献者。未来的研究需要揭示这种循环的机制调控，例如使用组合遗传和药理学方法来阻断或激活脂解或TG合成。在不同条件下量化这种循环的体内速率将是解密其更广泛的生理意义所必需的。
