Nature Metabolism：过氧化物酶体β-氧化作为细胞内脂肪酸的传感器并调节脂肪分解
2021年12月，苏黎世联邦理工学院等单位的相关研究人员在《Nature Metabolism》上发表了题为“Peroxisomal β-oxidation acts as a sensor for intracellular fatty acids and regulates lipolysis”的研究论文，阐述了一种基于脂肪酸过氧化物酶体降解与活性氧产生相结合的细胞脂肪酸传感机制。
亮点概述：
peroxins2（PEX2）蛋白通过聚泛素化调节脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL）蛋白水平
过氧化物酶体β-氧化衍生的活性氧（ROS）通过二硫键介导的稳定作用调节PEX2蛋白水平
过氧化物酶体衍生的ROS调节肝脏ATGL水平和脂肪变性
研究背景：
过氧化物酶体这一细胞器几乎存在于所有真核细胞中，在许多与脂质代谢相关的过程中发挥重要作用。中链和长链脂肪酸（FAs）主要在线粒体中被氧化，而超长链FAs（VLCFAs）几乎完全由过氧化物酶体中的β-氧化代谢。过氧化物酶体β-氧化的限速步骤取决于酰基辅酶A氧化酶1（ACOX1），它催化酰基辅酶A去饱和为2-反式烯醇基辅酶A，从而产生过氧化氢（H2O2）。为了有效对抗过氧化物酶体β-氧化升高引起的氧化应激，过氧化物酶体将过氧化氢酶（CAT）导入基质中，从而将H2O2转化为H2O和O2。为了将基质蛋白导入过氧化物酶体，需要不同peroxins（PEX）蛋白的协同作用。
脂滴（LDs）是脂质沉积的储存细胞器，主要由三酰甘油（TAG）和胆固醇酯（CE）等中性脂质组成。在能量需求时期，LDs通过TAG水解耗尽，通过脂肪分解或脂肪吞噬释放FAs。脂肪分解主要由脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL）、激素敏感脂肪酶（HSL）和单酰甘油脂肪酶（MGL）的作用驱动，它们逐步将TAG转化为甘油和FAs。已有证据表明过氧化物酶体和LDs在细胞内有物理接触，但两种细胞器的物理相互作用和功能互连的分子基础在很大程度上尚未探索。
研究人员首先验证了过氧化物酶体与LD这两种细胞器之间存在功能性串扰，以调节FAs的降解以维持脂质稳态。在富含过氧化物酶体和LDs的小鼠永生棕色脂肪细胞（iBA）中，观察到PEX2/10/12缺失均增加了甘油水平和FAs释放，表明脂肪分解活性升高。在分析脂解的几个关键调节因子后，发现只有ATGL蛋白在Pex2/10/12消融后显著增加且ATGL蛋白水平以转录后方式调节。此外，在HepG2和HEK293T细胞中也存在过氧化物酶体和LDs脂解之间的这种功能性串扰，其构成了一种保守的调节机制——当 ATGL 分布在 LD 表面以在不同细胞类型中进行蛋白酶体靶向降解时，PEX2 在 K92 位点特异性地聚泛素化脂解ATGL蛋白。
PEX2下调通过减少聚泛素化增加各种细胞类型中iBA脂解和ATGL蛋白水平
研究人员接着通过敲除过氧化物酶体基质蛋白CAT和ACOX1来控制过氧化物酶体ROS水平，探究ROS信号与PEX2表达水平的关系。结果发现，PEX2蛋白水平受过氧化物酶体内ROS水平的调节，PEX2形成分子内和分子间二硫键，控制其稳定性以响应ROS水平的变化，这可能在过氧化物酶体β-氧化和ATGL介导的脂解之间提供联系。
此外，CAT的消融增加过氧化物酶体ROS水平，导致ATGL水平和活性以及脂解率降低，相反，ACOX1消融后ATGL蛋白水平和活性以及基础脂肪分解率升高。当用VLCFA补充细胞以促进特异性过氧化物酶体β-氧化时，观察到ATGL蛋白水平和基础脂肪分解率降低。通过H2O 2和抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸酰胺（NAC）处理控制过氧化物酶体ROS水平时，ATGL蛋白水平、活性和脂解率因H2O2而降低，因NAC而升高。说明来自过氧化物酶体β-氧化的ROS稳定PEX2，从而导致ATGL降解增加和脂解减少，进而调节细胞脂质稳态。
过氧化物酶体β-氧化衍生的ROS调节iBAs中的ATGL蛋白和脂解
LDs和过氧化物酶体之间的物理相互作用促进脂肪分解衍生的FA转运到过氧化物酶体中。研究人员接着验证了新发现的机制通过ROS敏感的PEX2介导的ATGL降解，提供直接反馈调节来控制FA供应。发现脂肪分解衍生的FAs确实是过氧化物酶体β-氧化的底物，脂肪分解或外源性来源的FAs会导致过氧化物酶体β-氧化，从而导致H2O2和PEX2稳定的产生，进而促进ATGL降解，维持FA稳态。
ATGL水平由HepG2细胞中的ROS调节，并由超负荷的FAs抑制
研究人员最后将这些数据扩展到小鼠体内的肝脏系统，以阐明其生理相关性。结果发现，过氧化物酶体衍生的ROS调节肝脏ATGL水平和肝脏脂肪变性。过氧化物酶体β-氧化受损或NAC的药理干预导致ROS水平降低，从而导致肝脏ATGL上调，促进TAG储存的动员，进而防止脂质积聚和脂肪变性的进展。
过氧化物酶体β-氧化和ROS在调节肝脏ATGL水平和TAG动员中的作用
综上所述，该研究提供证据表明过氧化物酶体β-氧化作为一种新的FAs传感器发挥作用，通过一种复杂的途径调节脂肪分解，以控制ATGL蛋白水平。考虑到脂肪毒性是由于不受控制的脂肪分解而导致代谢疾病发展的一个重要因素，过氧化物酶体和LDs之间已确定的串扰可能不仅用于治疗非酒精性脂肪性肝病，也可用于治疗其它代谢疾病。
