Nature Metabolism：线粒体蛋白Opa1促进依赖尿素循环代谢物的脂肪细胞棕色化

• 线粒体视神经萎缩蛋白1（Opa1）促进细胞自主性脂肪细胞棕色化

• Jumanji家族染色质重塑蛋白Kdm3a和尿素循环代谢物（包括富马酸）是Opa1依赖性棕色化的效应物

• Opa1前脂肪细胞中较高的环磷酸腺苷（cAMP）水平激活cAMP反应元件结合蛋白（CREB），该蛋白转录尿素循环酶

脂肪组织功能障碍与世界上增长最快的流行病有关，包括肥胖以及肥胖相关疾病，如2型糖尿病（T2DM）、心血管疾病（CVD）和某些癌症。脂肪组织储存甘油三酯（TGs）能力的改变可导致身体脂肪异常增加（肥胖）或减少（脂肪萎缩）的个体出现胰岛素抵抗和相关代谢并发症。在哺乳动物中，白色脂肪组织 (WAT) 储存能量，而棕色脂肪组织 (BAT) 通过解偶联蛋白 1 (UCP1) 介导的产热将能量消散为热量。白色脂肪的“棕色转化”代表了一种对抗肥胖和代谢功能障碍的有希望的策略。

线粒体是脂肪细胞生物学中的中心细胞器。细胞对线粒体核心能量转换系统的控制可以通过线粒体形状和形态的动态调节来实现，以微调呼吸效率和营养利用。因此，异常线粒体形态与肥胖相关代谢并发症的发展有关。线粒体视神经萎缩蛋白1（Opa1）和有丝分裂蛋白 (Mfn) 1 和 2 或核心裂变蛋白动力相关蛋白 1 (Drp1) 及其受体在脂肪组织中的作用则不太清楚。虽然线粒体是棕色脂肪能量耗散的关键，但其是否能驱动脂肪细胞棕色化仍然未知。

由于肥胖是由多种遗传和环境因素相互作用引起的复杂表型，双胞胎研究可以提供对获得性肥胖的见解。因此，研究人员检查了在体重指数 (BMI) 不一致的单卵双胞胎之间是否存在线粒体形态关键调节因子的表达水平存在差异。基因表达分析显示，OPA1 在较重的双胞胎的皮下脂肪组织 (SAT) 中显著下调，而MFN1 和 MFN2 水平无显著差异。表明 OPA1 的较低脂肪组织水平与肥胖之间存在联系。

为了了解增加的脂肪组织 OPA1 水平如何与人类较低的 BMI 和更好的代谢疾病预后指数相关，研究人员通过靶向转基因（Opa1^tg）产生轻度 OPA1 过度表达的小鼠模型，并分析其脂肪组织和代谢功能。结果发现，Opa1 过表有利于高脂饮食喂养（HFD）下小鼠白色脂肪组织的扩张和棕色化，最终改善葡萄糖耐量和胰岛素敏感性，减少其他器官的脂毒性损伤。

Opa1^tg小鼠在HFD上代谢更健康

因为响应 HFD 可以增加产热活动以耗散多余的能量，研究人员探究了HFD 喂养的 Opa1^tg 小鼠的代谢状况改善是否也可能是由饮食诱导的生热增加引起的。结果发现，相较于WT小鼠，肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）在Opa1^tg 小鼠中更多，脂肪细胞较小，具有更多的多房脂滴，且Opa1^tg 小鼠 iBAT 中 Ucp1 水平增加，对急性寒冷暴露更耐受，在室温 (RT) 以及暴露于较低温度时产生更多热量。这些结果表明Opa1 刺激 BAT 功能，增加产热活性。

由于 HFD 喂养的 Opa1tg 小鼠在 SAT 中获得更高的 Ucp1 表达，在Opa1^tg 小鼠中研究的所有代谢参数的改善可能归因于 Opa1^tg WAT 的变化。与 RT 的 WT SAT 相比，Opa1^tg 中的产热标记更高，Ucp1 转录物显著增加。表明 Opa1 的水平与 WAT 棕色化能力呈正相关。在补充培养基中培养的原代 Opa1^tg 前脂肪细胞中，Ucp1 的绝对水平更为明显地增加，表明 Opa1 过表达可以使细胞自主地促进 WAT 棕色化。此外，无偏见方法、生物信息学和前脂肪细胞分化实验的结合表明，在脂肪细胞棕色化期间，Opa1 需要 Jumanji 家族组蛋白去甲基化酶 Kdm3a 来刺激 Ucp1 表达。

Opa1 通过 Kdm3a 促进脂肪细胞 ucp1 转录

研究人员接着探究 Opa1 如何影响 Kdm3a。代谢组学分析表明，富马酸是能够在 WAT 中驱动 Kdm3a 依赖性 Ucp1 诱导的代谢物。为了了解哪种代谢途径对 Opa1^tg 前脂肪细胞中富马酸的积累贡献最大，研究人员用 [¹³C₃]-丙酮酸和 [¹³C₄,¹⁵N]-l-天冬氨酸进行了示踪实验，前者用于分析 TCA 循环的贡献，后者用于测试从头合成嘌呤和尿素循环对富马酸生成的影响。结果表明，尿素循环是 Opa1^tg 前脂肪细胞中富马酸产生的原因，而 TCA 循环对于为尿素循环提供天冬氨酸至关重要。

Opa1^tg 前脂肪细胞中尿素循环通量增加

研究人员还构建了脂肪特异性 Opa1 敲除小鼠，发现脂肪细胞特异性 Opa1 缺失会抑制前脂肪细胞的尿素循环和米色分化，并可通过补充富马酸来挽救。研究人员最后探究了 Opa1 对脂肪细胞中尿素循环通量的调控机制，发现 Opa1 前脂肪细胞中较高的环磷酸腺苷（cAMP）水平激活 cAMP 反应元件结合蛋白（CREB），而该蛋白转录尿素循环酶。cAMP/CREB 将 Opa1 与尿素循环酶的诱导和脂肪细胞棕色化联系起来。

综上所述，该研究通过结合临床数据、无偏见的基因组和代谢组学方法以及转基因小鼠模型探究了线粒体形态在 WAT 功能中的作用。证明线粒体嵴重塑蛋白 Opa1 通过影响尿素循环和 Jumanji 家族组蛋白去甲基化酶 Kdm3a 自主定义了 WAT 的棕色化潜力。脂肪组织尿素循环再激活可能作为对抗肥胖的策略。