脂肪組織（WAT）是全身性能量代謝的關(guān)鍵器官, 脂肪組織功能紊亂與肥胖和二型糖尿病相關(guān)的代謝疾病密切相關(guān)。脂肪細胞是脂肪組織中的主要細胞類型, 可以被分為白色脂肪細胞, 米色脂肪細胞和棕色脂肪細胞, 在冷刺激下, 具有棕色脂肪產(chǎn)熱表型的米色脂肪細胞會被誘導(dǎo)褐變。白細胞介素10 (IL10) 是免疫細胞分泌的一種抗炎細胞因子, 可以通過與在成熟脂肪細胞表達的受體IL10rα結(jié)合, 抑制產(chǎn)熱功能。

許多表觀遺傳因子能夠參與產(chǎn)熱調(diào)控。然而, 作為染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子, 組蛋白變異在脂肪組織中的作用尚不清楚。此前, macroH2A1.1在白色脂肪細胞分化中的關(guān)鍵作用已被報道, 突變的組蛋白H3.3在褐色前體脂肪細胞中的過表達會損害小鼠褐色脂肪細胞的發(fā)育, 這表明組蛋白變異可能參與了代謝穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。連接組蛋白突變體 (H1.2) 已經(jīng)被報道在細胞凋亡, 自噬, DNA損傷, 腫瘤發(fā)生有關(guān)。然而, H1.2在新陳代謝中的功能，特別是在脂肪組織中的功能，仍然存在未知的。

2023年7月6日, Nature Communications刊登了武漢大學(xué)鄭凌教授團隊在脂肪組織領(lǐng)域的研究成果“Linker histone variant H1.2 is a brake on white adipose tissue browning”,研究團隊通過RNA-sequence, ChIP-sequence,基因敲除, 過表達等多種手段結(jié)合, 發(fā)現(xiàn)了H1.2通過結(jié)合編碼IL10受體的IL10rα啟動子, 抑制產(chǎn)熱基因的表達從而抑制米色脂肪組織產(chǎn)熱。

01.脂肪組織產(chǎn)熱閘口新靶點H1.2的發(fā)現(xiàn)

首先，研究者通過對十周齡雄性小鼠各組織的H1.2 進行蛋白含量測定, 發(fā)現(xiàn)H1.2在脂肪細胞中的表達量遠高于其它組織 (圖1a), 棕色脂肪組織 (BAT) 表達量最高, 腹股溝白色脂肪組織 (iWAT) 表達量其次, 附睪白色脂肪組織 (eWAT) 表達量最低 (圖1b)。iWAT和BAT中的H1.2和解偶聯(lián)蛋白1 (Ucp1) 的基因和蛋白表達量在低溫（6℃, 22℃）下高于高溫（22℃, 30℃）(圖c-f), 同時, 其表達量隨著脂肪分化程度和成熟程度逐漸升高 (圖 g-l)。這些數(shù)據(jù)表明H1.2可能參與成熟米色和棕色脂肪細胞的適應(yīng)性產(chǎn)熱。
 

02.脂肪細胞特異性H1.2缺失促進能量消耗

研究者進一步對小鼠脂肪組織中的H1.2進行基因敲除（H1.2AKO）, 然后進行了RNA測序, 通過GO功能富集分析, 發(fā)現(xiàn)H1.2AKO小鼠中iWAT和BAT里面的差異基因主要參與PPARα信號通路, 與能量分解代謝密切相關(guān) (圖 2d-2e)。通過代謝籠實驗, 發(fā)現(xiàn)H1.2AKO小鼠的氧氣消耗量和能量消耗量高于WT小鼠, 白天作用更加顯著 (圖 2f-2g)。在H1.2AKO小鼠中, iWAT中的UCP1基因和蛋白表達量顯著高于WT小鼠, 而BAT中的UCP1基因和蛋白表達量在H1.2AKO小鼠和WT小鼠中并沒有顯著區(qū)別 (圖 2h-i)。這些數(shù)據(jù)表明H1.2缺失能夠促進能量消耗, 并且在iWAT中發(fā)揮作用。

03.脂肪細胞中的H1.2在冷刺激下誘導(dǎo)iWAT褐變

通過以上的研究, 可以推測出H1.2與iWAT產(chǎn)熱有關(guān)。因此, 研究者將幼年H1.2AKO小鼠和WT小鼠在6℃下冷刺激3天, 發(fā)現(xiàn)H1.2AKO小鼠的體溫升高, 氧氣消耗增加, 能量消耗增加 (圖 3a-c), 多腔的脂肪細胞增多, Ucp1表達量顯著升高 (圖 3d), 產(chǎn)熱基因顯著上調(diào) (圖 3e), 然而在冷暴露下的BAT中, H1.2AKO小鼠和和WT小鼠并沒有顯著區(qū)別。隨后, 研究者對小鼠iWAT使用AAV作為載體進行H1.2過表達 (AAV-H1.2), 發(fā)現(xiàn)過表達H1.2組的小鼠iWAT中的Ucp1蛋白表達水平顯著低于WT小鼠, 同樣, 其體溫顯著降低, 表現(xiàn)出較低的耐寒性 (圖 3f-h)。另外, 低溫暴露后, H1.2 過表達小鼠的脂肪褐變受到抑制, Ucp1表達量降低, 產(chǎn)熱基因的表達水平下降 (圖 3i-k)。這些數(shù)據(jù)表明, 在冷暴露下, H1.2通過作用于iWAT而不是BAT, 作為適應(yīng)性產(chǎn)熱的負(fù)調(diào)節(jié)因子, 抑制iWAT褐變。

04.H1.2通過Il10rα調(diào)控米色脂肪細胞產(chǎn)熱

基于上一系列的研究結(jié)果, 研究團隊通過對H1.2AKO鼠的iWAT進行GO 富集分析, 發(fā)現(xiàn)顯著改變的基因主要涉及到體液免疫應(yīng)答的生物學(xué)過程 (圖 4a)。隨后, 通過qPCR檢測了B細胞, T細胞, 和與這些細胞相關(guān)的趨化因子的幾種生物標(biāo)志物, 結(jié)果并沒有出現(xiàn)顯著性差異。然而, 在H1.2AKO小鼠的iWAT中, 發(fā)現(xiàn)IL10, IL10rα的表達量顯著降低, 其IL10rβ的表達量并未受到顯著影響 (圖 4b-f)。另外, 九游會j9發(fā)現(xiàn)H1.2AKO小鼠中的iWAT中的成熟的脂肪細胞中IL10rα的基因和蛋白的表達顯著低于WT組, 冷刺激下效果更加明顯, 而iWAT中的血管基質(zhì)部分并沒有顯著差異 (圖 4g-i)。

 

使用Cre重組酶 (Ad-Cre-H1.2) 處理H1.2 flox/flox小鼠的脂肪細胞, 發(fā)現(xiàn)H1.2缺乏的成熟的米色脂肪細胞或棕色脂肪細胞中一些產(chǎn)熱基因, 以及脂質(zhì)β-氧化基因顯著升高 (圖 5a-e)。同時, Ucp1蛋白水平顯著上調(diào), IL10rα水平顯著降低 (圖 5f)。在H1.2缺陷米色脂肪細胞, 對其進行異丙腎上腺素處理, 同樣發(fā)現(xiàn)IL10rα水平降低, Ucp1水平升高 (圖 5g-h)。然而, 使用不同濃度的重組IL10蛋白來處理分化的米色脂肪細胞, 產(chǎn)熱基因和蛋白的水平均下降, 在敲除H1.2后, IL10的這種產(chǎn)熱抑制作用減弱 (圖 5k-m)。這些數(shù)據(jù)表明, H1.2對于米色脂肪細胞的產(chǎn)熱能力至關(guān)重要, H1.2 通過IL10rα 抑制產(chǎn)熱。

 

05.H1.2通過調(diào)節(jié)IL10rα影響冷誘導(dǎo)米色脂肪組織褐變

為了研究下調(diào)的IL10rα是否與冷刺激下H1.2AKO褐變有關(guān), 在WT和H1.2 AKO小鼠的iWAT (AAV-Il10rα) 過表達Il10rα, 然后進行冷刺激, 通過qPCR, HE和免疫組化分析表明IL10rα的過表達減少了WT和H1.2AKO小鼠的iWAT的冷誘導(dǎo)褐變 (圖 6a-g)。這些數(shù)據(jù)表明H1.2通過IL10rα抑制冷誘導(dǎo)的米色脂肪細胞產(chǎn)熱。

 

06.H1.2AKO小鼠能夠通過IL10rα預(yù)防肥胖, 維持長期正常飲食狀態(tài)下的能量穩(wěn)態(tài), 通過適應(yīng)性產(chǎn)熱減少體重增加

之前的研究表明, 米色脂肪細胞中H1.2參與產(chǎn)熱, 因此研究者想要探究H1.2 AKO小鼠是否能夠減輕脂肪堆積。研究者將H1.2 AKO和WT小鼠進行長期低脂飼養(yǎng)。結(jié)果表明, H1.2 AKO和WT小鼠的體重在剛開始沒有明顯差別, 但是18周齡時開始出現(xiàn)體重差異, 在28周齡時變得更加明顯, H1.2AKO小鼠的脂肪質(zhì)量和瘦肉質(zhì)量增加較少 (圖 7a-b)。另外, 28周齡的H1.2AKO小鼠的BAT和eWAT重量顯著減少, 同時eWAT和iWAT的細胞大小變小 (圖 7c-e)。在能量代謝方面, 28周齡的H1.2AKO小鼠, 氧氣消耗和能量消耗增加, 葡萄糖耐量得到改善。同時, 在H1.2AKO小鼠的iWAT中, 脂肪生成基因下調(diào), 產(chǎn)熱基因和脂質(zhì)β-氧化基因上調(diào)。這些結(jié)果表明H1.2AKO小鼠在長期低脂飼養(yǎng)后能夠維持較好的代謝狀態(tài)。
 

最近的研究表明, 與熱中性條件 (30°C) 相比, 正常條件 (22°C) 對小鼠具有輕微的冷刺激。為了研究腎上腺素信號誘導(dǎo)的適應(yīng)性產(chǎn)熱是否有助于長期維持低脂喂養(yǎng)的H1.2AKO小鼠的代謝表型, 將22℃飼養(yǎng)4周的小鼠置于30°C環(huán)境4個月, 以盡量減少適應(yīng)性產(chǎn)熱, 發(fā)現(xiàn)H1.2AKO小鼠和WT小鼠的體重, iWAT, eWAT和肝臟重量沒有顯著差別, 但是其BAT重量顯著降低 (圖8b-e)。同樣, 與脂肪生成, 產(chǎn)熱和脂質(zhì)β-氧化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平?jīng)]有顯著差別 (圖8f, g)。說明脂肪細胞H1.2缺乏通過適應(yīng)性產(chǎn)熱減少體重增加。

 

隨后, 研究了高脂飼料喂養(yǎng)是否會影響熱源性脂肪組織中H1.2的表達, 高脂飼養(yǎng)6個月后, 與低脂飼料喂養(yǎng)小鼠相比, iWAT和BAT中H1.2 mRNA和蛋白水平均升高 (圖 9a-c); 同樣, 不同體重指數(shù)的人體受試者的皮下脂肪中的H1.2基因和蛋白水平上調(diào) (圖9d)?；貧w分析表明BMI與皮下脂肪中 H1.2 mRNA水平呈正相關(guān) (圖 9e); 另外, H1.2AKO小鼠能夠明顯的緩解長期高脂飼養(yǎng)導(dǎo)致的體重, 脂肪重量的增加, 并且能夠顯著降低脂肪細胞大小, 增加能量消耗, 改善葡萄糖耐量, 增強胰島素敏感性 (圖 9d-k)。說明脂肪細胞中H1.2的缺失可以預(yù)防高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖。

 

接下來, 研究者評估了H1.2是否依賴于IL10rα 抑制脂肪堆積, H1.2AKO和WT小鼠在低脂飼養(yǎng)10周后, 在iWAT中注射AAV-IL10rα, 再繼續(xù)低脂飼養(yǎng)15周, 結(jié)果表明, Il10rα過表達可減弱脂肪細胞H1.2缺失對小鼠體重, 脂肪重量和各類脂肪組織的抑制作用 (圖 10a-e); 同樣, 過表達IL10rα后, H1.2AKO小鼠對葡萄糖耐量改善和胰島素敏感性增強作用也被消除 (圖 10g-h), qPCR結(jié)果表明產(chǎn)熱基因和脂質(zhì)β-氧化基因的上調(diào)也被抑制, 耗氧量率和能量消耗也降低 (圖 10i-j)。這些結(jié)果說明H1.2AKO小鼠通過IL10rα預(yù)防肥胖。

 

文章結(jié)論與展望

總的來說，作者抓住H1.2, 將H1.2與IL10免疫因子結(jié)合, 通過基因過表達, RNA-sequence, 代謝籠, IHC, ChIP-sequence, 基因敲除技術(shù), 結(jié)合各種分子生物學(xué)手段深度解析了H1.2通過結(jié)合編碼IL10受體的IL10rα啟動子, 抑制產(chǎn)熱基因的表達從而抑制米色脂肪組織產(chǎn)熱。H1.2-IL10rα調(diào)控軸在肥胖中發(fā)揮重要作用, 敲除H1.2和IL10rα均能顯著緩解肥胖, 提高產(chǎn)熱, 誘導(dǎo)脂肪褐變以及改善葡萄糖耐量和胰島素敏感性。因此H1.2和IL10rα可以作為潛在的治療肥胖的靶點。

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