在当今全球公共卫生领域，肥胖及其伴随的糖脂代谢紊乱已成为严峻挑战。传统的减肥策略往往收效有限或伴随副作用，因此，寻找安全有效的新靶点迫在眉睫。有趣的是，人体内除储存能量的白色脂肪外，还存在能消耗能量、产热的棕色和米色脂肪。这类“好”脂肪的核心特征在于表达解偶联蛋白1（Ucp1），它能使线粒体呼吸链产生的能量以热的形式散发，从而增加能量消耗。那么，能否通过促进这类产热脂肪的发育或激活来对抗肥胖呢？这成为了一个极具潜力的研究方向。然而，调控棕色脂肪细胞分化和功能的精确分子机制，尤其是细胞内在的代谢感知信号如何影响这一过程，仍有大量未知。近期发表于《Advanced Science》的一项研究，为我们揭开了这一复杂调控网络的关键一环。
为深入探索这一问题，研究人员综合运用了多种技术手段。他们在细胞和动物模型上开展了系统研究，使用了包括条件性基因敲除小鼠模型（如与Adiponectin-Cre或Ucp1-Cre转基因鼠交配获得的Cars2 AKO和UKO小鼠）、代谢组学与RNA测序联合分析、蛋白质硫化检测（生物素-HPDP转换实验）、染色质免疫共沉淀（ChIP）与Cut & Tag测序、免疫共沉淀（Co-IP）、荧光探针检测（如AzMC测H2S，SSP4测硫烷硫）、细胞能量代谢分析（海马仪测氧消耗率OCR）、以及腺相关病毒（AAV）介导的基因原位回补等关键技术。研究还使用了人源棕色样脂肪细胞（hBAC）和白色脂肪细胞（hWAC），样本来源于临床获取的颈部锁骨上区域和皮下脂肪组织。
2.1 半胱氨酸分解代谢在棕色脂肪细胞分化过程中显著增强并有助于棕色化表型
通过比较棕色脂肪细胞（BAC）和3T3-L1白色脂肪细胞分化前后的代谢组学和RNA测序图谱，研究人员发现半胱氨酸和甲硫氨酸代谢过程是BAC分化过程中上调最显著的代谢通路。代谢物分析显示，参与半胱氨酸合成的中间产物及其衍生物牛磺酸在成熟BAC中特异性升高。在培养基中剥夺胱氨酸（半胱氨酸的氧化形式）会下调BAC中Ucp1等产热基因的表达，并抑制去甲肾上腺素（NE）对这些基因的诱导。而在体内，给予禁食小鼠半胱氨酸能使其在急性冷暴露下维持核心体温，并上调肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）中Ucp1的表达。进一步检测发现，在BAC分化过程中，氢硫化氢（H2S）和硫烷硫（RSSH，包括半胱氨酸过硫化物CysSSH）的水平显著增加，且该现象在人和小鼠的棕色脂肪细胞中均比白色脂肪细胞更明显。这些结果表明，半胱氨酸分解代谢是棕色脂肪细胞分化过程中特异性诱导的独特代谢过程，对调控棕色脂肪细胞的产热活性至关重要。
2.2 Cars2在棕色脂肪细胞分化过程中被EBF2转录诱导并介导棕色脂肪蛋白质硫化
已知的H2S合成酶CBS和CSE在脂肪组织中几乎不表达，提示BAC中H2S的产生并非主要由它们介导。研究人员发现，线粒体定位的半胱氨酰-tRNA连接酶2（Cars2）在iBAT中高表达，且在人和小鼠的成熟BAC中表达高于白色脂肪细胞。与Cars2表达模式一致，iBAT中硫化蛋白质的含量也高于白色脂肪组织。在BAC分化过程中，Cars2的mRNA和蛋白水平逐渐升高，且与Ucp1的表达趋势一致，蛋白质硫化水平也随之增加。在冷暴露或β3-肾上腺素受体激动剂CL316243（CL）激活的iBAT中，Cars2表达和蛋白质硫化水平也显著上调。通过转录因子筛选，他们发现EBF2的过表达能显著上调Cars2的表达，而敲除Ebf2则会降低Cars2表达以及H2S和RSSH的产生。Cut & Tag测序、ChIP和荧光素酶报告基因实验证实，EBF2能直接结合到Cars2基因的启动子区域并激活其转录。这些结果揭示，EBF2是Cars2的转录调控因子，在棕色脂肪细胞分化过程中诱导Cars2表达。
2.3 产热脂肪中Cars2的缺失抑制蛋白质硫化并损害产热和脂质稳态
研究人员构建了脂肪组织特异性（AKO）和产热脂肪特异性（UKO）敲除Cars2的小鼠模型。敲除小鼠iBAT中的蛋白质硫化水平在冷暴露后降低。尽管在室温下体温正常，但在急性冷暴露下，AKO和UKO小鼠的核心体温和肩胛区温度显著低于对照组，维持体温的能力（恒温分数）下降。组织学显示，敲除小鼠的iBAT出现脂质大量积累和“白化”现象，但线粒体形态和数量未受明显影响。敲除小鼠体重与对照无异，但iBAT重量和甘油三酯含量增加，血浆甘油三酯和非酯化脂肪酸水平升高。代谢笼实验表明，敲除小鼠的氧气消耗量和能量支出减少，且对CL刺激诱导的能量支出增加反应减弱。RNA测序分析发现，敲除小鼠iBAT中产热基因（如Ucp1, Dio2）表达下调，而细胞外基质相关基因（如多种胶原基因）表达上调。蛋白印迹证实，敲除小鼠iBAT中Ucp1及呼吸链复合物亚基（如MTCO1, NDUFB8）的蛋白水平降低。
2.4 Cars2以细胞自主方式诱导蛋白质硫化和棕色脂肪生成
在BAC中过表达Cars2可增加H2S、RSSH和硫化蛋白水平，上调产热基因表达，减小脂滴尺寸，并增加解偶联呼吸。相反，敲低或敲除Cars2则降低这些代谢物和硫化蛋白水平，抑制产热基因表达和氧消耗率。重要的是，在成熟的BAC中诱导敲除Cars2，同样会损害产热基因表达和解偶联呼吸。这表明Cars2以细胞自主方式促进BAC分化和成熟脂肪细胞的产热功能。
2.5 CARS2的CPERS活性是诱导棕色脂肪细胞棕色化表型和解偶联呼吸所必需的
CARS2的CPERS活性依赖于两个保守的KIIK和KMSK基序（小鼠中对应为109KII112K和303KMS306K）以结合辅酶磷酸吡哆醛（PLP）。研究人员构建了将这4个赖氨酸（K）全部突变为丙氨酸（A）的Cars2突变体（4KA），该突变体丧失了CPERS活性但保留了其作为半胱氨酰-tRNA连接酶的活性。在Cars2敲除的BAC中，回补野生型Cars2能恢复H2S、RSSH、硫化蛋白水平、产热基因表达、脂滴形成、线粒体数量及氧消耗率，而回补4KA突变体则无效。同样，通过AAV将野生型Cars2（而非4KA突变体）回补至AKO小鼠的iBAT，能恢复蛋白质硫化、冷耐受能力、iBAT激活及产热基因表达。用PLP处理BAC可诱导棕色化表型，且该效应依赖于Cars2的存在。这些结果证明，CARS2的CPERS活性对其介导iBAT产热和BAC分化至关重要。
2.6 Cars2通过硫化EBF2驱动棕色脂肪细胞分化
为了寻找在BAC分化过程中被硫化的关键蛋白，研究人员通过生物素-HPDP下拉结合质谱分析，发现转录因子EBF2是分化过程中硫化水平增加的蛋白之一。实验证实，EBF2的硫化在BAC分化后、以及冷适应或CL处理的小鼠iBAT中增加，而在Cars2敲除的BAC或UKO小鼠的iBAT中减少。通过质谱分析和点突变验证，他们确定EBF2蛋白的第169位半胱氨酸（C169）是其主要的硫化位点，该位点位于一个锌指样结构域中，对EBF2的DNA结合活性可能很关键。Cut & Tag分析显示，在Cars2敲除的BAC中，EBF2的全基因组结合活性降低，且其在产热相关基因启动子区的占据减少。RNA测序数据的比较分析发现，Cars2 AKO小鼠与Ebf2全身性敲除小鼠的iBAT基因表达谱高度相似。在Cars2敲除的BAC中回补野生型Ebf2，可部分挽救产热基因表达和氧消耗率，而回补无法被硫化的C169A突变体则无效。这些结果表明，Cars2介导的EBF2硫化对于维持EBF2的转录活性、诱导产热基因表达和解偶联呼吸是必要的。
2.7 EBF2的硫化对其与PPARγ或BRG1的相互作用以及介导PPARγ下游产热基因表达至关重要
免疫共沉淀实验显示，在Cars2敲除的293T细胞或BAC中，EBF2与PPARγ或染色质重塑复合物组分BRG1的相互作用减弱。同样，无法被硫化的EBF2突变体（C160/163/169A）与PPARγ或BRG1的结合也变弱。对Cars2敲除iBAT的差异表达基因进行转录因子富集分析，发现PPARγ是最富集的转录因子。在Cars2敲除的BAC中，EBF2在PPARγ下游靶基因（如Ucp1, Cidec）启动子上的结合以及这些基因的染色质可及性均降低。用PPARγ激动剂罗格列酮处理Cars2敲除的BAC，可以部分恢复产热标志物表达、线粒体呼吸链复合物亚基水平、脂滴形成、线粒体质量以及解偶联呼吸功能。这些结果表明，Cars2通过硫化EBF2，促进了其与PPARγ或BRG1的相互作用，从而协同驱动产热基因的表达。
2.8 Cars2通过H2S和CysSSH信号介导EBF2硫化
亚细胞定位显示，CysSSH主要定位于细胞质，可能通过翻译过程掺入EBF2；而H2S作为气体信号分子可扩散至细胞核，直接导致EBF2硫化。用H2S供体GYY4137（GYY）处理BAC，可增加细胞内H2S和RSSH水平，诱导EBF2硫化，增强EBF2与PPARγ的相互作用，并上调产热基因表达。相反，用H2S清除剂ZnCl2处理则产生抑制作用。这表明Cars2催化产生的CysSSH和H2S作为信号分子，共同诱导了EBF2的硫化。
2.9 补充H2S供体和PLP可缓解饮食诱导的肥胖进程
在高脂饮食（HFD）喂养的小鼠中，每日注射GYY或PLP进行治疗。两种处理均能增加iBAT中的蛋白质硫化水平。重要的是，治疗显著降低了小鼠的体重增加，减少了iBAT中的脂质积累，并改善了葡萄糖耐受性和胰岛素敏感性。治疗还诱导了iBAT中一系列产热基因（包括Cars2本身）的表达。代谢笼分析显示，GYY和PLP处理增加了肥胖小鼠的氧气消耗和能量支出。这些结果表明，通过药理手段增强CARS2活性或提高H2S水平，可以激活棕色脂肪，对抗肥胖及其相关的代谢紊乱。
研究结论与意义
本研究发现并阐明了一条全新的、由细胞内在代谢重编程驱动棕色脂肪发育的核心通路：在棕色脂肪细胞分化过程中，关键转录因子EBF2直接诱导线粒体酶Cars2的表达。Cars2则通过其半胱氨酸过硫化物合酶（CPERS）活性，催化半胱氨酸分解代谢，生成半胱氨酸过硫化物（CysSSH）和氢硫化氢（H2S）。这些代谢物作为信号分子，对EBF2蛋白第169位半胱氨酸进行硫化修饰。硫化后的EBF2能更有效地与脂肪生成主效因子PPARγ及染色质重塑因子BRG1相互作用，从而协同结合到产热基因的启动子区，强力驱动棕色脂肪特异性基因表达程序的激活，促进棕色脂肪发育并增强其产热能力。这构成了一个由EBF2-Cars2-硫化EBF2组成的正向反馈调控环。
该研究的重大意义在于：首先，在理论上，它首次将半胱氨酸分解代谢、蛋白质硫化修饰与关键转录因子的表观调控网络紧密连接，揭示了代谢物感知如何精确调控细胞命运决定，为理解脂肪组织生物学提供了全新的视角。其次，在转化医学上，研究证实了Cars2及其下游的硫化信号是激活棕色脂肪、增加能量消耗的关键节点。通过给予Cars2的辅酶PLP（维生素B6的活性形式）或缓释H2S供体，能够有效激活小鼠棕色脂肪功能，缓解高脂饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗。这为肥胖及相关代谢性疾病的防治开辟了一条基于“代谢物-酶-转录因子”轴的全新干预策略。由于PLP和含硫化合物广泛存在于日常饮食中，该研究也提示，通过膳食调整或营养补充来靶向这一通路，可能成为一种安全、可行的体重管理新途径。
