Nature Metabolism：大鼠皮下白色脂肪组织在运动训练下的性别差异及多组学特征

2024年5月，美国太平洋西北国家实验室、美国亚特兰大埃默里大学、哈佛医学院等单位的相关研究人员在《Nature Metabolism》（IF：20.8）上发表了题为“Sexual dimorphism and the multi-omic response to exercise training in rat subcutaneous white adipose tissue”的研究论文，揭示了性别对脂肪组织生物学的强大影响，并为研究皮下白色脂肪组织（scWAT）对耐力运动训练的反应提供了丰富的资源。

皮下白色脂肪组织（scWAT）是一个动态储存和分泌器官，由脂肪细胞和许多其他类型细胞（如免疫细胞、内皮细胞和间充质细胞）组成。scWAT通过释放多种信号分子，如脂肪因子、细胞因子、生长因子和脂质衍生物，影响维持全身健康的多种生物过程。

耐力运动训练（ExT）改善了scWAT的代谢灵活性、脂质通量、胰岛素敏感性和免疫细胞的极化和扩增（与心脏代谢疾病的风险和严重程度相关）。尽管近年来脂肪细胞生物学领域取得了进展，但运动对scWAT重构的分子特征仍不完全清楚。在人类和啮齿类动物中，WAT的分布和含量在性别之间差异很大，可能导致疾病风险中的性别差异。调控WAT中性别差异的重要分子及其对耐力运动训练的反应在很大程度上仍未被探索。

研究人员首先对耐力运动训练大鼠及久坐对照大鼠进行了表型对比，结果表明在同一时期久坐大鼠中，雄性和雌性都增加了脂肪量，8周的耐力运动训练减弱了雌性脂肪量的增加，但减少了雄性的脂肪量。考虑到身体成分的变化，研究人员在耐力运动训练之后检查了scWAT脂肪细胞的大小。经过4周训练的雌性大鼠的scWAT中较小的脂肪细胞（直径< 20 μm）显著增加，而较大的脂肪细胞（直径≥45 μm）相应减少。经过8周训练的雌性大鼠脂肪细胞大小分布模式与久坐对照组相似，可能反映了长时间训练雌性大鼠存在scWAT脂肪储存的代偿反应。与久坐相比，8周训练的雄性大鼠的scWAT显示出更高的小脂肪细胞比例和更低的大脂肪细胞比例，这表明训练导致雄性大鼠scWAT脂肪细胞大小减少。这些结果表明耐力运动训练在两性整体身体成分和 scWAT 脂肪细胞形态中存在性别差异。此外，血浆中常见的训练反应性临床分析物如血糖、胰高血糖素和胰岛素水平方面也存在明显的性别差异。

研究人员通过多组学分析对实验大鼠进行了彻底地表征。首先对久坐雄性及雌性大鼠之间的差异表达分子和途径进行了研究。在多组学研究中观察到显著的性别差异，具体来说，10336个转录本、4226个蛋白质、6028个磷酸化位点和615个代谢物在久坐雄性大鼠和雌性大鼠之间存在统计学差异。与雌性大鼠相比，久坐雄性大鼠scWAT中与脂质代谢过程（Car2和Acss2）和不饱和脂肪酸合成（Fads2和Fads1）相关的转录本明显升高。在久坐雌性大鼠中参与生长因子/Akt信号通路（Igf1r、Dapk1和Kit）、脂肪形成（Adipoq）和葡萄糖摄取（Slc2a4）的相关转录本表达较高。在蛋白质组学水平上，雄性大鼠中与脂质相关代谢（Acot1、Hadh和Acbd7）、胆固醇转运（Npc2）和生酮（Hmgcl）相关蛋白存在显著性别差异。代谢组学/脂质组学结果显示，在久坐雄性大鼠中富含氨基酸和脂酰辅酶A。久坐雌性大鼠scWAT显示甘油三酯（TAG）的富集，主要由几种长链（>40个碳）TAG分子驱动。多组学结果表明，久坐雄性和雌性大鼠的 scWAT 在转录组学、蛋白质组学和代谢组学水平上存在显著差异，为理解scWAT对耐力运动训练的性别差异反应提供了基础。

之后研究人员对耐力运动训练每个训练时间点雄性及雌性大鼠进行了多组学分析，雌性大鼠scWAT在所有耐力运动训练时间点上都具有相似数量的差异组学特征，而雄性差异表达特征的数量随着训练时间的增加而增加。在转录组学水平上，分析结果表明两性对耐力运动训练反应的显著差异通路与免疫受体激活、GTP酶激活和转录/翻译调控相关。在蛋白质组学水平上，观察到与线粒体活性、囊泡转运和转录/翻译过程相关的途径存在两性差异。代谢组学/脂质组学分析表明在氨基酸、脂酰辅酶A、甘油二酯（DAG）、磷脂酰胆碱（PC）、醚类磷脂酰胆碱（O-PC）和溶血磷脂酰胆碱（LPC）水平在两性中存在明显差异，雌性在早期训练中表现出氨基酸的富集，这提示了对训练的早期合成代谢反应。

为了整合组学数据集，研究人员使用加权基因共表达网络分析 (WGCNA）生成代谢组学/脂质组学、蛋白质组学和转录组学数据集的模块（高度相关的特征组），评估了模块特征（每个模块的主要特征向量）与临床血浆分析物和其他表型标记物的相关性，以及代谢组学和其他组学特征之间的相关性。分析结果显示了介导scWAT对耐力运动训练的性别差异反应的分子枢纽。

研究人员进一步探讨了性别对 scWAT 中线粒体代谢的影响。与久坐雌性大鼠相比，久坐雄性大鼠显示线粒体蛋白质组的显著富集，包括参与脂肪酸氧化，碳水化合物和BCAA代谢的蛋白质丰度增加。耐力运动训练后，雄性大鼠的分解代谢途径如BCAA、碳水化合物代谢和脂肪酸氧化表现出显著富集。尽管两性的线粒体代谢途径都发生了变化，但线粒体DNA含量、与线粒体基因相关的RNA测序（RNA-seq）和心磷脂CL(72:8)丰度均未受到训练的影响。这表明scWAT的线粒体丰度在两性中并未因耐力运动训练而改变。对调节scWAT脂质循环（再酯化和脂解）的蛋白质特异性分析显示，长链脂酰辅酶A合成酶（Acsl）、甘油-3-磷酸酰基转移酶（Gpat）、酰基辅酶A二酰基甘油酰基转移酶（Dgat）和磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶（Pck）均表现出明显的性别差异。

最后，研究人员分析了scWAT TAG丰度和其他脂质代谢标志物的变化。与脂肪质量、血浆瘦素和脂肪细胞大小分布减少相一致，在耐力运动训练8周后，雄性大鼠scWAT 中TAG的丰度平均降低了70%，但是雌性大鼠scWAT 中TAG水平没有明显的变化，但表现出TAG成分的变化。这提示在雌性中耐力运动训练不会明显减少脂肪量，但在scWAT中会发生 TAG重构或循环。在所有训练时间点，雌性大鼠几乎所有种类的中链和长链酰基肉碱水平都较高，而雄性大鼠短链酰基肉碱水平较高，短链酰基肉碱为脂肪酸完全氧化的产物，但C2（乙酰基）除外。雌性大鼠在训练1周时中链和长链酰基肉碱也显著增加，提示FA氧化减少，与氧化磷酸化（OXPHOS）蛋白水平降低相一致。结果表明，8周耐力运动训练使得雄性scWAT发生脂质利用及储存脂肪的消耗，而在雌性scWAT发生脂质重构与循环从而保留脂肪质量。

多组学揭示耐力运动训练中scWAT线粒体代谢和脂质代谢中的性别差异

总之，该研究描述了scWAT对耐力运动训练反应中性别差异及时间动态的多组学特征。这为更深入理解脂肪组织生物学提供了一个框架，并强调了在制定精确干预策略时考虑生物性别的必要性。