Life Metabolism：税光厚团队揭示长链酰基辅酶A合成酶对系统脂质稳态的调控作用及相关机制

2024年1月，中国科学院遗传与发育生物学研究所、中科脂典的相关研究人员在《Life Metabolism》上发表了题为“Long-chain acyl-CoA synthetase regulates systemic lipid homeostasis via glycosylation-dependent lipoprotein production”的研究论文，揭示长链酰基辅酶A合成酶（dAcsl）通过维持脂蛋白糖基化过程在调节系统脂质稳态中起着关键作用。

亮点概述：

果蝇脂肪体中dAcsl 的敲低会导致脂质/蛋白质糖基化受到抑制，肠道中中性脂质的异位积累，脂肪体和血淋巴中脂蛋白含量的显著降低。
异常的脂蛋白糖基化导致dAcsl 敲低果蝇蛋白酶体相关降解加速，诱导内质网（ER）应激，损害脂蛋白向循环中的释放，影响脂肪体和肠道之间的脂质转运。
ACSL4（dAcsl 的人类同源物）在调节脂蛋白分泌和全身脂质稳态中的作用可能在人类中是保守的。

研究背景：

脂质稳态紊乱会导致一系列生理失调。器官间的串扰对于维持系统稳态至关重要，系统稳态依赖于信号网络的调节和多个器官之间的通信。由于人类和黑腹果蝇之间的脂质代谢途径高度保守，黑腹果蝇是研究人类代谢疾病（如肥胖和血脂异常）的有用模型。昆虫的脂肪体既是代谢器官，也是储存器官，与脊椎动物的肝脏和/或脂肪组织相当。因此，脂肪体和其他组织之间的相互作用对于维持果蝇的整体能量稳态非常重要。

酰基辅酶A（acyl-CoAs）是重要的中间体，位于脂质生物合成和重塑的中心，其不仅用于大量代谢过程中的酰基链转移，参与线粒体和过氧化物酶体中的β-氧化，还与复杂脂质的形成、脂质重塑、信号转导、转录因子的激活和细胞能量产生有关。果蝇长链酰基辅酶A合成酶（dAcsl ）与人类ACSL3/ACSL4 同源。此前对果蝇dAcsl的功能研究主要集中在神经和发育方面，目前缺乏对dAcsl代谢功能方面的研究。

由于果蝇的脂肪体主要负责脂质的合成和储存，与哺乳动物的肝脏和脂肪相当，研究人员构建了脂肪体特异性dAcsl 敲低（dAcsl RNAi ）模型，并探究其对果蝇幼虫全身代谢的影响。定量脂质组学分析表明，dAcsl RNAi 果蝇脂肪体中脂肪酰基≥16C的acyl-CoAs水平降低，同时脂肪酰基≤14C的acyl-CoAs水平增加，验证了dAcsl 对长链脂肪酸的底物偏好。糖基化鞘脂（如己糖神经酰胺（HexCer）特异性减少，而作为糖基化鞘脂的前体底物的神经酰胺（Cer）显著增加，表明在dAcsl RNAi 果蝇中，脂质的糖基化受到干扰。此外，与对照组相比，dAcsl RNAi 果蝇的脂肪体中脂膜主要成分的水平发生了变化，包括磷脂酰乙醇胺（PEs）的增加和磷脂酰胆碱（PCs）的减少，表明dAcsl 敲低会破坏脂肪体内的膜脂稳态。然而，在两组果蝇之间，没有观察到中性脂质（包括甘油三酯（TAGs）和甘油二酯（DAGs））水平的显著变化。相反，在dAcsl RNAi 果蝇的血淋巴中，大多数主要的脂质类别（包括TAGs和DAGs）都显著减少。这些结果表明，脂肪体特异性敲低dAcsl 破坏了脂肪体和血淋巴中的脂质稳态。

脂肪体中dAcsl的产物acyl-CoAs含量

与对照组相比，dAcsl RNAi 果蝇的脂肪体和血淋巴的脂质稳态出现紊乱

研究人员在dAcsl RNAi 果蝇的肠道中观察到中性脂质积聚的异常表型，脂肪体内的脂肪细胞较小。进一步通过qRT-PCR测量肠道组织内与脂肪生成有关的几个关键基因的转录水平，发现脂肪酸合成酶（FASN ）和乙酰辅酶A羧化酶（ACC ）等脂肪生成基因的mRNA水平在肠道中显著降低，表明肠道中的异位脂质积聚是由脂肪底物的非自主来源引起的，脂肪体特异性敲低dAcsl 主要破坏肠道和脂肪体之间的中性脂质运输。

器官间脂质载体——载脂蛋白B（apoB）家族脂蛋白apolipophorin（apoLpp），它是主要的血淋巴脂质载体，主要由脂肪体产生并以部分脂质化形式（即富含磷脂的颗粒）释放到血淋巴中。在dAcsl RNAi 果蝇的脂肪体和血淋巴中，研究人员观察到apoLpp的显著降低，进一步通过对脂肪体中apoLpp 敲低和过表达验证，发现dAcsl通过apoLpp介导器官间的中性脂质转运，调节肠道脂质储存。

dAcsl RNAi 影响脂肪细胞体积和肠道中性脂质平衡

蛋白质组学分析发现，在dAcsl RNAi 果蝇中，ER中的半乳糖代谢和蛋白质加工途径下调，糖蛋白生物合成过程、糖基化相关途径受到抑制（与脂肪体内糖基化鞘脂的减少一致）。此外，通过荧光成像及透射电子显微镜（TEM）观察，发现dAcsl RNAi 果蝇的ER腔有明显扩张。dAcsl RNAi 果蝇ER中的脂质稳态与脂肪体中表现出相似的紊乱，这可能归因于异常apoLpp进程引起的未折叠蛋白反应（UPR），这会导致膜扩张以应对蛋白质折叠需求的增加，以及由于apoLpp分泌到血淋巴中受阻而导致ER中膜脂滞留。

比较蛋白质组学分析结果显示ER和蛋白质糖基化途径异常

接着，研究人员对果蝇的脂肪体进行了精确代谢组学分析，发现相对于对照果蝇，dAcsl RNAi 果蝇脂肪体内的糖基化底物，如UDP葡萄糖和UDP-N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc）有所减少，它们是糖蛋白和糖脂的基本成分。此外，代谢组KEGG途径富集分析显示，许多与碳水化合物代谢相关的途径（如磷酸戊糖途径）在dAcsl RNAi 果蝇中受到影响。代谢组研究结果证实了蛋白质组学结果，表明dAcsl RNAi 果蝇的糖基化受阻。

由于蛋白质错误折叠，载脂蛋白糖基化的异常会导致蛋白质降解增加。泛素-蛋白酶体途径是处理错误折叠的apoB的主要途径，dAcsl RNAi 果蝇中几种蛋白酶体相关途径的增加可能与脂蛋白降解升高有关。研究人员发现，抑制果蝇泛素-蛋白酶体依赖性降解显著改善了肠道异位脂肪积聚的表型。进一步通过基因筛选，发现CG9035（一种转运蛋白相关蛋白δ，与糖基化有关）的过表达有相似的挽救效果。因此，dAcsl RNAi 果蝇肠道中异常的中性脂质积累归因于CG9035介导的脂蛋白糖基化异常导致的器官间脂质动员受阻。