在漫长的生命演化历程中，生物体为了应对食物匮乏的挑战，逐渐形成了一套精妙的代谢适应机制。其中，禁食状态下脂肪组织如何高效地动员能量储存，一直是生命科学领域的研究热点。传统观点认为，脂肪细胞主要通过经典的中性脂肪酶，如限速酶脂肪甘油三酯脂肪酶（Pnpla2/ATGL），来分解脂肪，释放脂肪酸和甘油，为机体供能。然而，随着研究的深入，这一经典理论受到了诸多质疑。比如，即便对经典脂肪酶进行基因靶向操作，脂肪组织仍存在一定的脂解活性；而且在禁食研究中，经典脂肪酶基因的表达并不总是与禁食适应性反应同步。这些现象暗示着，可能存在尚未被发现的脂肪动员机制。为了深入探究这一谜团，来自美国匹兹堡大学医学院衰老研究所（Aging Institute of UPMC and University of Pittsburgh School of Medicine）等机构的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员综合运用了多种关键技术方法。在动物实验方面，精心构建了多种基因工程小鼠模型，如 Adiponectin-Cre（Adipoq-Cre）和 Pnlpa2floxed小鼠、Tfebfloxed小鼠等，通过特定的基因编辑手段实现对目标基因的精准调控。同时，巧妙利用药物干预实验，使用 bafilomycin、lalistat2 等溶酶体抑制剂以及 atglistatin 等 ATGL 抑制剂，深入探究不同途径在脂解过程中的作用。在细胞实验层面，对 3T3L1 小鼠前脂肪细胞、原代脂肪细胞祖细胞（AP）和人 SGBS 细胞进行培养和分化诱导，借助基因敲低技术，如使用 doxycycline-inducible short hairpin（sh）-RNA 系统，特异性地降低相关基因的表达水平，进而研究其对脂解的影响。此外，还对人和小鼠的脂肪组织进行转录组学分析和蛋白质免疫印迹分析，全面了解基因和蛋白质水平的变化情况。在人体研究中，收集了接受手术患者的皮下脂肪组织样本进行体外培养实验，为研究结果提供了更具临床意义的证据。
研究结果如下：
- 延长禁食激活小鼠脂肪组织的溶酶体程序：通过 24 小时禁食实验，发现禁食后小鼠循环中的脂解产物，如非酯化游离脂肪酸（NEFA）和甘油显著增加。免疫印迹分析显示，溶酶体脂肪酶（LAL）和 MiT/TFE 转录因子家族成员（TFEB、TFE3、MITF）表达增强，而经典限速脂肪酶 ATGL 在腹股沟脂肪（iWAT）中表达降低。qPCR 分析表明，禁食导致脂肪细胞中参与脂肪生成和经典脂肪酶编码的基因表达下降，而 MiT/TFE 家族成员和溶酶体功能相关基因表达上调。免疫荧光显微镜和 ELISA 实验进一步证实，禁食后小鼠脂肪细胞中溶酶体数量增加，且溶酶体与脂滴的关联增强。
- 全身药理学抑制溶酶体功能减弱禁食时的脂解作用：使用 bafilomycin 和 lalistat2 两种溶酶体抑制剂处理小鼠，发现它们能有效减弱禁食引起的 NEFA 激增，而 ATGL 抑制剂 atglistatin 则无此效果。在体外脂肪组织外植体实验中，两种溶酶体抑制剂同样能抑制营养限制条件下 NEFA 和甘油的释放，而 atglistatin 则没有明显的抑制作用。这些结果表明，溶酶体依赖性脂解在营养限制条件下或体内长时间禁食时发挥着重要作用。
- ATGL 在小鼠长时间禁食时脂肪动员中的作用有限：通过构建脂肪细胞特异性 ATGL 基因敲除小鼠模型，发现 ATGL 缺失可消除异丙肾上腺素刺激引起的脂解产物释放，但对 24 小时禁食诱导的 NEFA 和甘油释放无明显抑制作用。在体外脂肪组织外植体实验中，营养限制条件下，ATGL 缺失的组织与对照组织的脂解反应无显著差异。这些结果提示，在长时间禁食时，可能存在其他非经典途径参与脂肪动员。
- 靶向溶酶体功能的转录调节因子减弱禁食时的脂解作用：在 3T3L1 细胞和原代 AP 来源的脂肪细胞中，利用基因敲低技术发现，靶向 Lipa 或 MiT/TFE 转录因子（如 Tfeb、Mitf、Tfe3）可抑制营养限制条件下的脂解作用。在体内实验中，构建脂肪细胞特异性 Tfeb 敲除小鼠模型，发现 Tfeb 缺失可减弱 24 小时禁食后血清中 NEFA 和甘油的激增，同时影响葡萄糖代谢和相关激素水平，如降低全身葡萄糖水平、减少酮体生成、减轻体重下降和降低血浆 FGF21 水平等。
- 禁食时脂肪细胞脂解从 ATGL 依赖向 LAL 依赖的时间转变：通过对禁食不同时间点小鼠脂肪组织的免疫印迹分析，发现 ATGL 信号在禁食 4 - 12 小时逐渐减弱，而 LAL 信号在 8 - 12 小时逐渐增强。在药物干预实验中，ATGL 抑制剂在禁食早期（基线和 4 小时）可减弱脂解产物释放，而 LIPA 抑制剂在禁食 12 小时时可抑制脂解指标。构建诱导型脂肪细胞靶向 ATGL 和 LAL 敲除小鼠模型进一步证实，ATGL 在急性肾上腺素能刺激和禁食早期发挥作用，而随着禁食时间延长，LAL 依赖性机制逐渐占据主导。
- 溶酶体依赖性脂解在人类脂肪组织禁食时起作用：对人类皮下脂肪组织进行转录组学分析发现，禁食可动态调节 MiT/TFE 转录因子家族中的 MITF 和 TFEC 表达，且 MITF 的变化与 LIPA 表达呈正相关。在人 SGBS 细胞实验中，靶向 LIPA 可减弱营养限制条件下的 NEFA 释放，而靶向 TFEC 可减弱甘油释放并降低 LIPA 表达。在人体脂肪组织外植体实验中，两种溶酶体抑制剂均可抑制营养限制条件下脂解产物的释放，表明溶酶体脂解在人类中可能同样存在。
- 网络医学确定与衰老基因和衰老相关疾病相关的核心人类禁食网络：运用网络医学方法，将人类脂肪组织禁食转录组数据映射到人类蛋白质 - 蛋白质相互作用组（PPI）中，发现禁食转录组形成了一个离散的模块，且该模块与衰老相关基因和疾病模块存在显著重叠。通过分析，确定了 MITF 是禁食与衰老表型相互作用的关键节点，这为进一步研究禁食与衰老的关系提供了新的方向。
综合上述研究，研究人员得出结论：存在一种非经典的溶酶体途径，它在禁食诱导的脂肪细胞脂解中发挥着关键作用。经典的 ATGL 依赖途径在应对急性肾上腺素能刺激和禁食早期阶段至关重要，而溶酶体途径则在禁食时间延长时主导脂肪动员。这两种途径相互补充，共同维持机体在禁食状态下的能量平衡。此外，研究还发现 MiT/TFE 转录因子家族在溶酶体脂解中起着重要的调控作用，且在小鼠和人类之间存在一定的差异。同时，网络医学分析揭示了禁食与衰老相关疾病之间的潜在联系，为后续研究提供了新的思路。这项研究不仅深化了人们对禁食时脂肪组织能量动员机制的理解，还为治疗与代谢紊乱相关的疾病，如肥胖、胰岛素抵抗和心血管疾病等，提供了潜在的治疗靶点和理论依据，有望推动相关领域的进一步发展。
生物通微信公众号
