Nature Metabolism：UCP1调控肝脏细胞外琥珀酸和炎症的发病机制
2021年5月，丹娜法伯癌症研究院、哈佛医学院、都柏林圣三一大学的相关研究人员在《Nature Metabolism》上发表了题为“UCP1 governs liver extracellular succinate and inflammatory pathogenesis”的研究论文，阐述了棕色/米色的脂肪细胞可以通过依赖于脂肪组织对细胞外代谢物进行处理的机制来调节全身生理反应，而与全身能量消耗和肥胖无关。
UCP1KO的棕色和米色脂肪从循环中清除琥珀酸的能力减弱。
UCP1KO小鼠在肝组织中表现出细胞外琥珀酸升高，通过连接SUCNR1在肝脏内驻留的星状细胞和巨噬细胞群中引起炎症。
增加小鼠棕色和米色脂肪细胞的含量可以对抗肝脏中SUCNR1依赖的炎症信号。
UCP1-琥珀酸-SUCNR1轴在肥胖环境中调节肝脏免疫细胞浸润和病理以及全身葡萄糖不耐受是必需的。
非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是世界范围内最常见的肝脏疾病，目前尚无临床认可的治疗方法。慢性低度全身炎症状态是肥胖的标志，可导致NAFLD和2型糖尿病（T2D）的病理改变，拮抗全身炎症和随后的肝纤维化可以减轻这些病症。棕色和米色脂肪细胞通过循环葡萄糖和脂肪酸的无效分解代谢启动产热的能力已被广泛研究。棕色脂肪组织（BAT）和米色脂肪的一个显著特征是线粒体内膜蛋白解偶联蛋白1（UCP1）的存在。
UCP1+脂肪细胞表现出获取和氧化与全身代谢功能障碍相关的多种细胞外代谢物的能力，如三羧酸（TCA）循环中间产物琥珀酸，当从细胞外液中获取时，可驱动BAT中的生热作用。相反，在一系列慢性疾病中，胞外琥珀酸的持续升高与促炎性发病机理有关。细胞外琥珀酸通过G蛋白偶联受体琥珀酸受体1（SUCNR1）的连接起作用。SUCNR1在许多免疫细胞的表面表达，但在树突状细胞（DCs）和巨噬细胞上表达最高，以增强促炎性细胞因子的产生。
研究人员首先检查了一个缺乏棕色/米色脂肪细胞主要分解代谢效应物UCP1的小鼠模型。发现与野生型（WT）小鼠相比，UCP1基因敲除（UCP1KO）小鼠表现出肝脏的严重炎症和病理改变，而没有肥胖症或全身能量消耗的变化。UCP1KO小鼠的肝脏表现出与肝星状细胞（HSC）激活相关的蛋白质丰度增加，HSC是驱动组织纤维化和炎症的主要细胞类型。此外，UCP1KO小鼠的肝脏中调节中性粒细胞介导的免疫和促炎细胞因子产生的蛋白质的丰度也显著增加。
组织学分析确定，喂食西式饮食（WD）的WT和UCP1KO小鼠显示出难以区分的肝脂肪变性水平。此外，WT和UCP1KO小鼠的肝脏甘油三酯含量没有差异，几种脂质的丰度也没有差异。尽管如此，研究人员发现在喂食WD的UCP1KO小鼠中，肝损伤标志物丙氨酸转氨酶（ALT）和天冬氨酸转氨酶（AST）的循环量显著升高。此外，UCP1KO小鼠的肝脏重量明显高于WT小鼠。与WT小鼠相比，喂食WD的UCP1KO小鼠也表现出明显的血糖不耐受。因此，BAT/米色脂肪UCP1KO足以驱动肝脏炎症、HSC活化蛋白升高和葡萄糖不耐受，而不依赖于调节整体肥胖、肝脏脂肪变性或全身能量消耗。
棕色和米色的脂肪组织独立于生热作用而调节全身性炎症和肝脏病理
UCP1分解代谢回路控制肝脏中的炎症和骨髓细胞群
为了了解UCP1+棕色/米色脂肪细胞如何影响肝脏的炎症和致病信号，研究人员进行了一项比较代谢物图谱分析实验，以确定外周丰度和脂肪细胞摄取能力都依赖于UCP1+BAT的代谢物。发现UCP1KO BAT中最基本耗尽的代谢物是琥珀酸，且琥珀酸是唯一耗尽的TCA循环中间产物，这表明UCP1KO BAT的琥珀酸吸收能力受损。同时，肝脏的细胞外液代谢组分析显示，在喂食WD的UCP1KO小鼠中，肝脏中琥珀酸的局部细胞外丰度显着升高，琥珀酸是唯一显示出该特征的TCA循环中间产物。因此，肝脏对肥胖喂养的适应可能导致琥珀酸局部分泌到细胞外液中，而细胞外液又可被UCP1+BAT/米色脂肪直接或间接拮抗。随后，研究人员通过对BAT/米色脂肪含量和活性的调节探究其对血液中琥珀酸吸收能力的影响，验证了UCP1+BAT/米色脂肪可以调节细胞外琥珀酸水平。
UCP1分解代谢回路控制肝细胞外琥珀酸水平
研究人员接着探讨肝细胞外琥珀酸含量和肝脏炎症/病理之间是否有因果联系。琥珀酸是SUCNR1的内源性配体，研究人员发现SUCNR1在肝组织的星状细胞和巨噬细胞上高度表达。事实上，SUCNR1参与了促炎和抗炎信号传导，这取决于组织环境。尽管SUCNR1在肝脏免疫细胞群和饮食诱导的NAFLD中的相关性尚不清楚，但SUCNR1在体外与HSC激活有关。棕色和米色脂肪组织可能通过拮抗琥珀酸-SUCNR1信号来拮抗全身炎症和肝脏病理。
为了检验这种可能性，研究人员构建了同时缺乏UCP1和SUCNR1（UCP1/SUCNR1KO）的小鼠。对WT、UCP1KO和UCP1/SUCNR1KO小鼠进行WD并监测全身代谢适应发现，在体重增加、脂肪堆积、能量消耗、热量消耗和热量吸收方面，所有组都没有区别。而在缺乏SUCNR1的情况下，UCP1KO升高的炎症途径全部逆转。这些发现有力地支持了琥珀酸-SUCNR1信号作为NAFLD分子驱动因素的重要调节因子的作用。此外，UCP1 / SUCNR1KO小鼠显示出在UCP1KO小鼠肝脏中观察到的许多炎症表型均重新正常化。在SUCNR1KO后，所有通过蛋白质组学鉴定为在UCP1KO小鼠肝脏中上调的免疫细胞标志物均被重新归一化。SUCNR1KO后，巨噬细胞和炎性单核细胞的比例降低。因此，琥珀酸-SUCNR1信号转导在WD喂养中是UCP1 KO引起的肝脏炎症和病理所必需的。
BAT/米色脂肪UCP1分解代谢回路通过琥珀酸-SUCNR1信号控制肝脏免疫细胞浸润和炎症
由于SUCNR1KO在很大程度上逆转了UCP1KO小鼠肝脏中观察到的炎症，研究人员接下来确定了UCP1KO小鼠的NAFLD病理是否需要SUCNR1信号。组织学分析和组织水平评估表明，与WT和UCP1KO小鼠相比，UCP1/SUCNR1KO小鼠的肝脏显示出难以区分的脂肪变性和甘油三酯含量。然而，在UCP1/SUCNR1KO小鼠中，肝损伤和纤维化进展的几个标志物，包括胶原表达和染色、ALT循环量（而不是AST）减少。此外，蛋白质组学分析显示，组织HSC激活的蛋白质调节因子整体减少。最后， SUCNR1KO完全使UCP1KO引起的葡萄糖不耐受恢复正常。因此，UCP1分解代谢回路足以对抗肝脏炎症、NAFLD和葡萄糖不耐症，这与调节肥胖和能量消耗无关。此外，这种由UCP1+BAT/米色脂肪引发的保护性级联反应可归因于该组织对抗肝脏中促炎性和致病性琥珀酸-SUCNR1信号的独特能力。
肝脏琥珀酸-SUCNR1信号驱动肝脏病理和葡萄糖不耐受，这被UCP1分解代谢回路所拮抗
研究人员接下来探讨了在肥胖环境下增加UCP1+BAT/米色脂肪含量是否足以预防SUCNR1依赖性NAFLD。发现升高的UCP1+脂肪细胞含量特异性地对抗SUCNR1介导的WD肝发病机制。对WD喂养期间在室温或热中性条件下饲养的WT和SUCNR1KO小鼠的肝脏进行的蛋白质组学分析显示，室温饲养的小鼠的肝蛋白质组显示出在UCP1KO小鼠中观察到的许多相同的主要致病标记物减少。同样，在WT小鼠中明显观察到NAFLD标记物的这种温度依赖性调节，而在SUCNR1KO小鼠中未发现。
BAT和米色脂肪的升高通过SUCNR1拮抗NAFLD
最后，研究人员检测了上述炎症和致病信号可归因于哪些SUCNR1表达细胞群。为此，研究人员从WT和SUCNR1KO小鼠中纯化了表达SUCNR1的两种主要的肝脏驻留细胞类型：HSCs和肝脏驻留巨噬细胞（Kupffer细胞）。对这些细胞群进行的定量蛋白质组学分析揭示了依赖于SUCNR1的几种细胞类型特异性蛋白质组学变化。在肝脏驻留的巨噬细胞中，观察到与“M2”或抗炎/促分解巨噬细胞极化相关的蛋白质丰度显著增加。此外，还观察到几种趋化因子的丰度显著降低，最显著的是CCL2，它负责将致病性促炎单核细胞募集到肝脏。在SUCNR1KO Kupffer细胞中，几个额外的促炎和抗炎中间产物分别减少和增加，包括IL6RB（IL6受体复合物的组成部分）和PGDH（负责促炎前列腺素代谢的酶）。肝脏HSC中SUCNR1KO导致与细胞外基质重塑相关的几种蛋白质的丰度显著降低，如TYB4和HDGF，它们在HSC激活和肝纤维化中发挥作用。此外，在从SUCNR1KO小鼠分离的HSC中，多种促炎蛋白（如急性期蛋白SAA1）的丰度显著下调。这些数据表明，缺乏琥珀酸-SUCNR1信号导致肝脏巨噬细胞和星状细胞群中促炎症和纤维化因子的协同减少。
SUCNR1调节肝脏Kupffer细胞和HSC细胞群的炎症和活化
综上所述，该研究为UCP1 + BAT和米色脂肪在调节肝细胞外琥珀酸中的生理作用提供了证据，而与这些细胞仅作为全身能量消耗和肥胖调节剂的历史观点无关。棕色和米色脂肪细胞和UCP1的治疗用途超出了产热范围，可用于对抗NAFLD和SUCNR1依赖性肝脏炎症。
