Cell Metabolism：李旻典/张志辉团队揭示限时进食提升运动能力的分子机制
进食时间通过脂肪细胞AMPKα2信号调节脂肪-肌肉交互对话来增强运动
2025年3月，陆军军医大学西南医院、中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国科学院上海药物研究所、中科脂典等单位的相关研究人员在《Cell Metabolism》（IF: 27.7）上发表了题为“Dietary timing enhances exercise by modulating fat-muscle crosstalk via adipocyte AMPKα2 signaling”的研究论文，揭示限时进食通过脂肪细胞AMP活化蛋白激酶 (AMPK) α2信号通路调节脂肪-肌肉之间的相互作用，提升运动表现。
亮点概述：
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非活动期限时进食（DRF）通过脂肪细胞AMPKα2驱动脂质代谢昼夜节律。
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脂肪细胞AMPKα2缺失会破坏运动耐力和肌肉生物钟基因的表达。
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DRF下脂肪细胞AMPKα2调控血清代谢物 (乳酸、琥珀酸) 的节律性波动。
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定时服用脂肪细胞AMPK激活剂可增强运动耐力。
研究背景：
越多的证据表明，昼夜节律与运动代谢之间存在着紧密的联系。例如，一次跑步机跑步会在不同组织中引发具有时间依赖性的代谢物节律变化。而进食节律对能量代谢和身体耐力有着显著影响，如小鼠活跃期限时进食（NRF）能增强能量代谢的昼夜节律，在西式饮食喂养方案中预防肥胖、脂肪肝和糖尿病，还能提升雄性的抗阻运动表现；DRF与常规食物饮食相结合，可提高肌肉的氧化能力和耐力，且在整个光暗周期都有效。
然而，脂肪细胞在这些过程中的具体作用机制却一直不太清楚。进食时间以组织特异性的方式同步外周组织中的每日节律，通常在肝脏和性腺白色脂肪组织 (GWAT) 中。以往对GWAT昼夜节律的研究大多基于批量 RNA 测序，无法全面揭示蛋白质组和代谢组层面的变化。
研究团队选用了年轻的雌性C57BL/6J小鼠，将其分为非活动期进食（DRF）和活动期进食（NRF）两组，进行为期7天的限时进食处理。随后，在24 - 48小时内，每隔4小时采集小鼠的GWAT样本，运用深度覆盖定量蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学和脂质组学技术进行分析。
在蛋白质组方面，DRF小鼠的GWAT中检测到281种节律性蛋白质，其中 80.4% 呈现 24小时的从头节律性，这些蛋白质与线粒体氧化代谢途径密切相关。相比之下，NRF小鼠的GWAT中有513种节律性蛋白质，58.5% 有从头节律性。在脂质组方面，DRF小鼠的GWAT中有110种节律性脂质，大多在ZT0和ZT12达到峰值；NRF小鼠仅有29种节律性脂质，且分布较为稀疏。这些结果表明，DRF显著重塑了GWAT中的蛋白质组和脂质组节律，使线粒体能量代谢和中性脂质代谢成为其显著的昼夜特征。
DRF在蛋白质组和脂质组中引入从头节律
研究人员进一步通过对磷酸化蛋白质组的分析，发现DRF诱导了脂肪细胞中的AMPKα2信号通路。在所有可量化的GWAT磷酸化蛋白质组中，35%的位点在至少一种进食方案（包括自由喂养（ALF））中呈现节律性，其中NRF和DRF分别为22%和12%。DRF不仅显著降低了昼夜节律位点的振幅，还使 AMPK 信号通路成为最显著上调的信号通路。进一步研究发现，p-Prkaa2（编码AMPKα2的基因）在DRF和NRF期间均有节律性，且相位相反，这表明AMPKα2信号通路与进食节律密切相关。
研究人员随后构建了脂肪细胞Prkaa2基因敲低小鼠模型，其表现出运动耐力明显下降，尤其是在DRF条件下。这说明脂肪细胞 AMPKα2信号对于DRF增强的运动耐力至关重要。同时，研究还发现脂肪细胞的时钟基因也参与了运动表现的调节，Clock基因敲低的小鼠在DRF期间的高强度跑步表现显著下降，这表明DRF至少部分通过脂肪细胞时钟系统来提高跑步耐力。
DRF诱导脂肪AMPK信号通路
在代谢物方面，脂肪细胞AMPKα2信号调控着血清中关键代谢物的昼夜节律。例如，Prkaa2基因敲低小鼠的血清中，琥珀酸、乳酸等代谢物的节律发生改变，这些代谢物对于维持能量代谢平衡至关重要。在脂质组方面，Prkaa2基因敲低导致GWAT中游离脂肪酸（FFA）和甘油三酯（TAG）的昼夜差异消失，且总长链酰基辅酶A含量在ZT0时显著升高，这表明脂肪细胞AMPα2对脂质代谢的昼夜节律有着重要影响。
脂肪细胞AMPKα2调节全身和组织代谢组
此外，DRF下GWAT和肌肉的脂质组学、转录组学特征存在关联，相关节律性基因富集于多种生物通路，表明二者昼夜节律同步。此前研究表明肌肉Bmal1对DRF下运动表现重要，它与过氧化物酶体增殖体激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）转录水平相关。对脂肪细胞Prkaa2基因缺失的小鼠分析发现，Prkaa2敲低不影响肝脏Bmal1昼夜表达，却降低肌肉Bmal1节律振幅，消除肌肉PGC-1α 的节律性表达。这表明脂肪细胞AMPKα2信号缺乏会损害肌肉时钟及其对PGC-1α 的调控，与DRF下肌肉时钟控制的线粒体代谢在运动生理中的作用相符。
脂肪细胞AMPKα2缺乏会损害DRF期间的肌肉时钟
最后，研究人员探索了特定时间激活AMPKα2对运动能力的影响。发现在生物黎明（ZT12）时口服AMPK激活剂C29，能够显著提高小鼠的跑步耐力，而在ZT0时给药则效果不明显。这一效果依赖于脂肪细胞中的Prkaa2，Prkaa2基因敲低会消除 C29 的时间依赖性耐力提升作用。此外，C29-ZT12还能增加肌肉中氧化型肌纤维的比例，调节肌肉中核心时钟基因的表达，进一步证明了昼夜定时激活AMPKα2信号通路对运动能力的重要调节作用。
总之，该研究工作揭示了性腺脂肪昼夜节律的蛋白质组学和翻译后景观，证明脂肪细胞 AMPKα2 信号调节涉及脂肪酰基辅酶A代谢、运动相关血清代谢物和肌肉时钟的节律过程的器官间通讯，并参与DRF导致的运动表现增强。该项工作不仅为我们理解昼夜节律、饮食和运动之间的关系提供了新的视角，还为未来的运动科学和健康管理提供了潜在的干预靶点。
