Research：鲍时来/税光厚合作揭示棕榈酰肉碱如何作为肺发育的调控因子

脂质组学产品助力揭示棕榈酰肉碱通过促进肺间质增殖调节肺发育

2025年3月，中国科学院遗传与发育生物学研究所的相关研究人员在《Research》（即时IF：10.6）上发表了题为“Palmitoyl-carnitine regulates lung development by promoting pulmonary mesenchyme proliferation”的研究论文，提出了一种治疗肉碱-酰基肉碱转位酶缺乏症（CACTD）患者呼吸窘迫的潜在靶标，为阐明新生儿呼吸窘迫的发病机制和探索治疗策略提供了有价值的参考依据。

 研究背景：

作为哺乳动物呼吸系统的重要组成部分，肺的基本任务是促进机体和外界环境之间的气体交换。肺器官发生开始于胚胎期（E）第9.5天，一直延续到出生后（P）第30天，最终形成结构复杂、功能完善的肺组织。大量证据表明，脂质代谢调节是大脑、心脏和肝脏发育过程的基础。肺很少被认为是脂质代谢的重要器官，但是脂质代谢确实参与了肺部疾病，如磷脂是肺表面活性剂的主要成分，能有效降低肺泡气液界面的表面张力，避免肺部塌陷等。

脂肪酸氧化是脂质代谢的关键过程，提供能量、调节脂质平衡、支持线粒体功能并有助于提高代谢灵活性，包括肉碱棕榈酰转移酶1（Cpt1）、肉碱-酰基肉碱转位酶（Cact）和肉碱棕榈酰转移酶2（Cpt2）等关键酶。研究表明，大多数肉碱-酰基肉碱转位酶缺乏症（CACTD）患者在婴儿期患有严重的呼吸窘迫综合征（RDS），其特点是疾病进展迅速及高死亡率。CACTD患者在长链脂肪酸氧化过程中表现出线粒体功能障碍，导致长链酰基肉碱的积累，尤其是C16-酰基肉碱。然而，Cact和C16-酰基肉碱在CACTD患者的症状进展过程中对发育信号线索的时空调控机制尚不清楚。

为了阐明整个小鼠肺发育过程中脂质组成和动态变化，研究人员利用LC-MS/MS方法对关键发育阶段E14.5、E17.5、P0、P1、P7、P7、P14和P21的肺脂质组学进行了全面分析，共检测到28种脂类亚类的845种脂质，这些脂质具有不同的脂肪酰基链长度和饱和度特征。研究人员系统阐明了小鼠肺脂质组从分支形态发生到肺泡发育阶段的一系列广泛变化，为肺发育过程中各类脂质的时间动态变化提供了全面而细致的概述。

肺发育过程中各类脂质的动态变化概述

通过对脂质组数据的深入分析，研究人员发现肺发育过程中酰基肉碱水平的变化至关重要。为了进一步探究酰基肉碱在肺发育中的意义，研究人员收集了早期胎儿肺组织进行体外培养。发现在无血清培养条件下，添加短链酰基肉碱（C3-酰基肉碱）和长链酰基肉碱（C16-酰基肉碱）能够通过恢复胎儿肺上皮细胞和间充质细胞的正常增殖模式，从而恢复正常的分支形态发生。结果表明在整个肺发育过程中，Cact的表达与酰基肉碱水平的变化之间存在显著的相关性。Cact在调控酰基肉碱代谢动态过程中起关键作用，进而影响肺器官发育和功能维持。

酰基肉碱的缺乏会导致肺发育缺陷

为了阐明CACTD的潜在机制，研究人员构建了Cact基因敲除小鼠（Cact^-/-）。研究结果显示Cact的缺失并不会导致大脑、肝脏和心脏的明显异常，与同窝幼鼠相比，Cact^-/-幼鼠表现为呼吸窘迫并伴有紫绀表型。对P0 Cact^-/-胎儿肺的初步宏观评估显示，小叶大小明显缩小，偶尔伴有融合，而整体小叶结构和数量保持完整。组织学和形态学分析表明，与对照组相比，Cact^-/-小鼠的肺泡间隙减少，同时相邻的肺泡间隔的厚度增加。研究人员随后探究了Cact^-/-小鼠肺组织致密性增强背后的病因，表明Cact对于Pdgfrα⁺祖细胞的正常增殖是不可或缺的。为了证明Cact缺失对肺发育过程中细胞分化的影响，研究人员通过对代表性标记蛋白进行染色，详细分析了突变上皮细胞和间充质细胞的分化状态。结果表明，Cact缺失导致间充质祖细胞的异常增殖，并伴随ATI（I型肺泡上皮细胞）细胞的形态异常，这些因素共同导致了肺发育缺陷。

Cact缺失会导致肺发育缺陷

接下来，研究人员探究了Cact在肺发育中起作用的细胞类型。研究人员基于Cact^fl/fl小鼠和Dermo1-Cre技术构建了特异性敲除肺间充质细胞中Cact基因的小鼠模型，发现该小鼠体型和体重显著减小，肺泡塌陷，间充质细胞增殖增加，ATI细胞形态异常，表型与常规敲除Cact小鼠一致，表明Cact在肺间质中对维持间充质祖细胞正常增殖和肺发育至关重要。随后通过在Cact缺失的肺来源肌成纤维细胞中补充Cact，恢复了细胞增殖，证实Cact表达缺失是导致观察到的小鼠肺细胞增殖缺陷的直接原因。

为了研究Cact^−/−小鼠中间充质细胞增殖的分子机制，研究人员对胚胎晚期（E18.5）和出生当天（P0）的对照组和Cact^−/−小鼠的肺组织匀浆进行了脂质组学分析。分析结果显示，Cact敲除样本中酰基肉碱显著积累。异常的酰基肉碱表现为长链酰基肉碱（尤其是C16-酰基肉碱和C18-酰基肉碱）的含量增加。接下来，研究人员在体外研究C16-酰基肉碱或C18-酰基肉碱在间充质祖细胞增殖中的潜在作用。结果表明，C16-酰基肉碱在刺激间充质细胞的增殖中起着关键作用，从而促进了它们的激活。

C16-肉碱可促进Pdgfrα⁺细胞的增殖

为了进一步探究C16-酰基肉碱对间充质细胞增殖作用背后的分子机制，研究人员首先了解了其对能量生成的影响，随后利用药物亲和反应靶点稳定性（DARTS）技术确定C16-酰基肉碱的关键靶点。综合质谱评估确定了脱氧核苷三磷酸水解酶（Samhd1）是在C16-酰基肉碱处理样本中最突出且高表达的蛋白之一，并使用蛋白印迹法证实了C16-酰基肉碱与Samhd1之间的相互作用。在Cact^−/−细胞中，Samhd1蛋白水平确实降低了，并且在小鼠胚胎成纤维细胞中一致观察到C16-酰基肉碱抑制Samhd1的表达。从Cact突变肺中分离的原代细胞中过表达Samhd1，导致细胞增殖显著减少。这些结果表明Samhd1是哺乳动物细胞中dNTP池的主要调控因子，通过参与调控细胞内的dNTP浓度来调节细胞增殖。

综上所述，该研究揭示了Cact调控下的酰基肉碱代谢通路在肺发育中的关键作用，Cact的缺失导致C16-酰基肉碱的积累，C16-酰基肉碱与Samhd1蛋白的结合导致其数量显著减少,从而促进肺间充质祖细胞的异常增殖。该研究为减轻或预防与新生儿RDS相关疾病提供了新的治疗策略。