在耐寒的UCP1缺陷杂交小鼠中，限制饮食中的甲硫氨酸可增强代谢益处

代谢蛋氨酸限制通过激活UCP1热生成改善小鼠肥胖和糖代谢，但UCP1缺失小鼠（F1.Ucp1KO）在维持体温和抵抗肥胖方面表现更优，提示其依赖脂肪酸氧化等替代机制。

Rea P. Anunciado-Koza | Crystal Bilodeau | Diana Cooke | Gene P. Ables | Robert A. Koza

美国缅因州斯卡伯勒市MaineHealth研究所

摘要

饮食中的甲硫氨酸限制（MR）能够改善多种动物的代谢健康。对小鼠的有益影响包括减少肥胖以及与多核解偶联蛋白1（UCP1）阳性脂肪细胞的出现相关的代谢改善。这表明MR诱导的UCP1产热作用对代谢健康有显著贡献。为了验证这一点，我们使用了独特的UCP1缺陷小鼠进行实验，这些小鼠具有在急性寒冷暴露下不易出现体温过低的特点（F1代背景）。F1.Ucp1HET和F1.Ucp1KO小鼠首先被喂食高脂肪对照饮食（HF-CD），随后转换为高脂肪MR饮食（HF-MRD）。通过间接量热法监测能量代谢；同时评估了血清激素、代谢物、组织基因表达和组织学特征。虽然两种基因型在喂食HF-MRD后都显示出代谢参数的改善，但F1.Ucp1KO小鼠在腹壁白色脂肪（iWAT）形态上发生了进一步变化，并且在葡萄糖耐受性、血清代谢生物标志物谱和肝脏脂肪变性方面表现出更明显的代谢改善。值得注意的是，与F1.Ucp1HET小鼠相比，F1.Ucp1KO小鼠在转换为HF-MRD后脂肪酸氧化水平升高且这种变化持续存在。我们认为，F1.Ucp1KO小鼠通过脂肪酸氧化来维持体温，这可能是它们在急性寒冷暴露下以及饮食诱导的肥胖发生过程中所采用的机制之一。此外，我们的研究表明，小鼠中MR的许多代谢益处并不依赖于UCP1的产热功能。

引言

肥胖是一种常见的代谢紊乱，与发病率和死亡率的增加有关[1]。目前的治疗方法包括生活方式的改变（如饮食、体力活动/锻炼、行为调整）、药物治疗（如GLP-1和GIP激动剂）以及外科干预（如减肥手术）[2]。限制宏量营养素（如甲硫氨酸）是另一种有前景的干预措施，有助于促进健康老龄化[3]。饮食中甲硫氨酸的限制能够改善代谢健康并延长寿命[4]。饮食甲硫氨酸限制（MR）是一种治疗肥胖的可行方法，因为它可以在不限制热量的情况下实现体重减轻[5]。Orentreich等人早在20世纪90年代初就首次报道了MR在啮齿动物中的健康益处[6,7]，并且这些益处在多个物种中得到了证实[8,9]。

喂食MR饮食的啮齿动物由于棕色脂肪组织（BAT）和皮下白色脂肪组织（腹壁白色脂肪，iWAT）中的解偶联蛋白1（UCP1）产热作用被激活，因此能量消耗（EE）增加[10,11]。iWAT中UCP1的增加伴随着多核细胞的出现，这些细胞是米色脂肪细胞的标志[11]。米色脂肪组织的形成已成为提高能量消耗以对抗肥胖的目标[12]。与UCP1缺陷小鼠（B6.Ucp1tm1Kz）相比，喂食MR饮食的野生型小鼠能量消耗增加了31%，脂肪量减少了25%，这表明MR的效果依赖于UCP1的产热作用[11]。然而，在这些研究中，小鼠在开始MR饮食之前并未处于肥胖状态。

UCP1缺陷小鼠来自两个近交背景（129S1.Ucp1tm1Kz和B6.Ucp1tm1Kz），这两种小鼠在急性寒冷暴露下都极易出现体温过低[13]。相反，由129S1.Ucp1tm1Kz和B6.Ucp1tm1Kz杂交产生的F1代小鼠能够在急性寒冷暴露下保持正常体温[14]。UCP1的缺失迫使动物采用替代的“非UCP1依赖”的产热机制来生存，但这些机制尚未完全阐明。

由于UCP1缺陷F1代小鼠（F1.Ucp1KO）在耐寒性方面与亲本近交UCP1敲除品系有显著差异，我们选择了这一模型来研究UCP1在与MR相关的有益代谢表型中的作用。在本研究中，我们首先让小鼠喂食高脂肪对照饮食（HF-CD）14周以诱导肥胖，然后再转换为高脂肪MR饮食（HF-MRD）。

我们发现，与杂合子（F1.Ucp1HET）对照组相比，F1.Ucp1KO小鼠对饮食诱导的肥胖的易感性较低，并且脂肪酸氧化能力更强。两种基因型都对MR饮食有反应，表现为体重减轻和代谢参数的改善，但F1.Ucp1KO小鼠在腹壁白色脂肪形态、血糖控制、肝脏脂肪变性的减轻以及整体血清生化指标方面表现出更显著的改善。

性别作为生物学变量

由于雄性小鼠比雌性小鼠更容易发展为饮食诱导的肥胖，因此在本研究中使用了雄性小鼠作为模型，以验证研究概念。我们认识到，仅使用雄性小鼠确实限制了研究的普遍性；因此，未来的研究将同时考虑雌雄两性。

实验动物

实验使用的129S.Ucp1tm1Kz和B6.Ucp1tm1Kz小鼠来自杰克逊实验室（缅因州巴港）

F1.Ucp1KO小鼠对饮食诱导的肥胖具有较低的易感性

F1.Ucp1HET和F1.Ucp1KO小鼠是通过129S1/ImJ（129）和C57BL/6J（B6）遗传背景的UCP1敲除小鼠杂交得到的（图1A）。从8周龄开始喂食HF-CD饮食时，两者都出现了体重增加；然而，F1.Ucp1KO小鼠的体重增加显著较少（图1B）。在14周的HF-CD饮食期间，F1.Ucp1HET小鼠的脂肪质量（FM）增加速度约为F1.Ucp1KO小鼠的3倍（1.09 ± 0.12 vs 0.37 ± 0.17 g/周，p<0.001）。两种基因型的瘦质量（LM）增加情况相似

讨论

喂食MR饮食的啮齿动物通常表现出能量消耗（EE）增加、脂肪量减少、葡萄糖耐受性和胰岛素敏感性提高、组织/循环脂质及肝脏脂肪变性降低，以及循环激素的变化[10,25,26, [35], [36], [37]。这些代谢健康指标的变化在摄入MR饮食后迅速出现，并在整个饮食期间持续存在[10,25,26]。

MR诱导的能量消耗增加的一种机制可能是通过激活UCP1实现的

资助

本研究部分由美国国家糖尿病、消化系统和肾脏疾病研究所的R01DK120844项目资助（R.A.K.），并得到了Orentreich科学促进基金会的支持（ASL29和ASL31）。MaineHealth研究所用于本研究的分子表型和生理学核心设施得到了美国国家普通医学科学研究所的U54GM115516和P20GM121301项目的支持。

作者贡献声明

Rea P. Anunciado-Koza：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、实验设计。 Crystal Bilodeau：实验设计。 Diana Cooke：实验设计。 Gene P. Ables：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、方法学、资金申请、数据分析。 Robert A. Koza：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、资源获取、项目管理、方法学、资金申请、数据分析、数据整理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本文献给Leslie Paul Kozak博士（1940-2023）。作者感谢Eric Ravussin博士和William Bernard Rubio在代谢室数据分析方面提供的宝贵建议。