线粒体蛋白酶CLPP缺失通过D-2-羟基戊二酸介导棕色脂肪细胞"白化"及核软化机制研究

本研究揭示了线粒体蛋白酶CLPP缺失导致棕色脂肪组织(BAT)白化的新机制。研究人员发现CLPP缺陷通过激活PHGDH酶促使D-2-羟基戊二酸(D-2HG)积累，这种代谢重编程不仅促进脂滴扩张，还通过表观遗传修饰降低核硬度。该研究首次阐明了线粒体功能障碍与脂肪组织重塑之间的代谢-表观遗传偶联机制，为代谢疾病治疗提供了新靶点。

在能量代谢调控领域，棕色脂肪组织(BAT)因其独特的产热功能备受关注。然而在肥胖、衰老等病理状态下，BAT常发生"白化"现象——线粒体功能减退伴随脂滴异常堆积。这种转变背后的分子机制尚不清楚，特别是线粒体功能障碍如何通过代谢重编程影响脂肪细胞命运决定仍是未解之谜。

德国科隆大学医学院衰老相关线粒体疾病研究所的Harshita Kaul等研究人员在《Nature Metabolism》发表重要研究，揭示了线粒体基质蛋白酶CLPP缺失通过D-2-羟基戊二酸(D-2HG)介导的独特机制驱动BAT白化。研究发现CLPP缺陷小鼠的BAT表现出典型的白化特征：脂滴增大、组织苍白，但令人意外的是其耗氧量(OCR)保持正常。通过多组学分析，研究人员锁定D-2HG这一"肿瘤代谢物"是关键介质，它由磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH)异常活化产生。D-2HG不仅促进脂滴积累，还通过增加组蛋白H3K4三甲基化(H3K4me3)改变染色质状态，导致核膜软化。这种线粒体-表观遗传偶联机制的发现，为理解代谢疾病中组织重塑提供了新视角。

研究采用的主要技术包括：条件性基因敲除小鼠模型构建(全身性、脂肪组织特异性及BAT特异性CLPP敲除)、高分辨率电子显微镜(包括三维重构技术)、原子力显微镜(AFM)核硬度检测、代谢组学(特别关注D-2HG对映体分析)、染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)以及海马能量代谢分析等。实验样本包括不同基因型小鼠的BAT组织及原代培养的棕色脂肪前体细胞。

【CLPP缺失导致BAT白化但保留线粒体功能】

研究人员构建了全身性(CLPP-KO)、脂肪特异性(CLPP-AKO)和BAT特异性(CLPP-BKO)三种敲除小鼠模型，均表现出BAT白化表型：脂滴(LD)体积增大2-3倍，但超微结构分析显示线粒体数量反而增加。尽管蓝绿温和胶电泳(BN-PAGE)证实复合体I(CI)和V(CV)组装异常，组织匀浆的氧消耗率(OCR)却保持正常，提示存在代偿机制。

【多组学分析揭示代谢重编程特征】

转录组和蛋白质组分析显示，CLPP缺陷BAT中脂代谢相关基因显著下调，而PHGDH表达上调5倍以上。代谢组学检测到D-2HG水平升高3.7倍，且主要为D型对映体。体外实验证实，成熟棕色脂肪细胞(mBA)特异性产生并分泌D-2HG。

【D-2HG驱动脂滴积累和表观遗传重塑】

使用PHGDH抑制剂NCT503可逆转白化表型，而过表达D-2HG脱氢酶(D-2HGDH)则降低D-2HG水平。外源D-2HG处理野生型细胞即可诱导脂滴扩张。ChIP-seq分析显示，CLPP缺陷和D-2HG处理均导致H3K4me3在全基因组范围内增加，特别在脂代谢调控基因(如CD36、SREBP1/2)启动子区富集。

【核力学特性改变与胆固醇代谢关联】

电镜观察到CLPP缺陷细胞中线粒体紧密包围细胞核并形成凹陷。原子力显微镜检测显示核硬度降低40%，这一现象可被胆固醇补充逆转。D-2HG处理还降低细胞内胆固醇水平，与胆固醇合成基因(HMGCR、HMGCS1)表达抑制一致。

这项研究首次建立了"线粒体功能障碍-PHGDH激活-D-2HG积累-表观遗传修饰-核力学改变-脂代谢重编程"的完整信号轴。特别值得注意的是，D-2HG作为连接代谢异常与染色质重塑的关键分子，其作用机制不同于经典的整合应激反应(ISR)。研究发现核硬度变化与胆固醇代谢密切相关，为理解细胞力学特性调控提供了新思路。从转化医学角度看，靶向PHGDH-D-2HG轴可能成为干预肥胖相关代谢紊乱的新策略。该研究也为解释线粒体疾病中常见的组织特异性表型差异提供了理论框架。