近年來，肥胖已成為世界范圍內(nèi)主要的公共健康問題。誘發(fā)機(jī)體肥胖的因素諸多，如機(jī)體的能量攝入和消耗之間的不平衡、錯誤的進(jìn)餐時間、晝夜節(jié)律的失調(diào)等。其中晝夜節(jié)律的失調(diào)導(dǎo)致機(jī)體外圍生物鐘紊亂，而生物鐘基因的失調(diào)又會反過來增加機(jī)體在正常的睡眠期間的食物消耗。
已有證據(jù)表明，將高熱量的飲食限制在正常活動期（嚙齒動物在夜間，人類在白天）可以改善代謝健康，但其機(jī)制尚不清楚。對此，美國芝加哥西北大學(xué)范伯格醫(yī)學(xué)院團(tuán)隊(duì)通過對小鼠開展時間限時進(jìn)食法（TRF）相關(guān)研究揭示了限時進(jìn)食在控制體重和改善代謝健康中的作用機(jī)制，并于2022年10月在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science上發(fā)表題為“Time-restricted feeding mitigates obesity through adipocyte thermogenesis”的研究成果。
飲食的晝夜節(jié)律對能量代謝的影響
在30°C的環(huán)境下，為小鼠提供高脂飲食（HFD），將小鼠分為自由進(jìn)食組、非活動（光照）期進(jìn)食組（0時至12時）、活動（黑暗）期進(jìn)食組（12時至24時）。1周后，自由進(jìn)食組小鼠表現(xiàn)出更多的體重增加；與活動期進(jìn)食組小鼠相比，非活動期進(jìn)食組的小鼠體重和呼吸交換比（RER）節(jié)律改變增加；在非活動期喂食HFD的小鼠在活動期間的耗氧量低于在活動期喂食HFD的小鼠，且僅在活動期喂食的小鼠的總能量消耗與體重的斜率更高。這些結(jié)果表明，在環(huán)境光-暗周期的非活動階段進(jìn)食會導(dǎo)致體重增加，即飲食誘導(dǎo)的能量消耗減少。
運(yùn)用葡萄糖標(biāo)記的體內(nèi)同位素示蹤技術(shù)，進(jìn)一步探究小鼠脂肪組織中糖酵解和三羧酸（TCA）循環(huán)代謝受喂食時間的影響。TRF小鼠口服U-13C-葡萄糖（0時喂食非活動期小鼠，12時喂食活動期小鼠），被標(biāo)記的葡萄糖被腹股溝白色脂肪組織（iWAT）和棕色脂肪組織（BAT）迅速吸收，并在喂食15 min后達(dá)到峰值。與非活動期喂養(yǎng)小鼠的iWAT和BAT相比，活動期喂養(yǎng)小鼠的iWAT和BAT中增加了帶標(biāo)記的丙酮酸和乳酸，表明糖酵解增強(qiáng)和標(biāo)記乳酸的可能攝取，且活動期喂養(yǎng)的小鼠iWAT中也富含了被標(biāo)記的TCA循環(huán)中間產(chǎn)物。這表明相對于飲食的晝夜規(guī)律影響了脂肪組織中的碳通量，活動期進(jìn)食將促進(jìn)脂肪組織中葡萄糖向糖酵解和TCA循環(huán)代謝物的生成增加。
圖1. 飲食的晝夜節(jié)律對能量消耗的影響
脂肪細(xì)胞中的產(chǎn)熱增強(qiáng)機(jī)制
進(jìn)一步分析0時和12時小鼠iWAT和BAT中對應(yīng)的生物鐘基因表達(dá)的差異。結(jié)果表明，僅在活動期喂食HFD的小鼠iWAT和BAT中核心生物鐘基因表達(dá)高于非活動期喂食HFD的小鼠，提示脂肪細(xì)胞的晝夜節(jié)律和產(chǎn)熱節(jié)律的紊亂可能是在非活動期進(jìn)食的負(fù)面代謝后果的基礎(chǔ)。
成年小鼠脂肪細(xì)胞鋅指蛋白423（ZFP423）的誘導(dǎo)缺失代表了更強(qiáng)的產(chǎn)熱刺激，因此對ZFP423轉(zhuǎn)錄因子敲除（Zfp423-KO）的小鼠進(jìn)行限時進(jìn)食，發(fā)現(xiàn)iWAT脂肪細(xì)胞的廣泛積累和產(chǎn)熱作用的激活，且非活動期間喂食HFD的小鼠脂肪細(xì)胞ZFP423的缺失有效阻止了小鼠體重增加并改善了葡萄糖耐量。這表明，增強(qiáng)脂肪細(xì)胞產(chǎn)熱可以減少非活躍期喂食期間的體重增加。
對Zfp423-KO小鼠WAT血管部分分化的原代脂肪細(xì)胞進(jìn)行生物能和代謝流分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，脂肪細(xì)胞Zfp423-KO小鼠的耗氧率增加。U-13C-葡萄糖同位素示蹤表明，用去甲腎上腺素（NE）刺激后的脂肪細(xì)胞和用β3腎上腺素能受體激動劑刺激的棕色脂肪細(xì)胞的糖酵解通量增加；Zfp423-KO的脂肪細(xì)胞中的U-13C-葡萄糖向糖酵解中間體和終產(chǎn)物（包括丙酮酸鹽和乳酸鹽）的代謝流入增加，即脂肪細(xì)胞的產(chǎn)熱增加。
使用代謝組學(xué)分析評估脂肪細(xì)胞特異性缺失Zfp423后的代謝特征改變。與對照脂肪細(xì)胞相比，Zfp423-KO的脂肪細(xì)胞中肌酸、丙酮酸和乳酸的水平增加，磷酸肌酸和ATP的水平減少；Zfp423-KO小鼠iWAT中的PCr/Cr比率降低，產(chǎn)熱脂肪中無效肌酸循環(huán)的主要激酶同工酶—肌酸激酶B（CKB）的豐度增加。整體表明，Zfp423的缺失通過增加解偶聯(lián)呼吸、增強(qiáng)NE刺激的呼吸、增加進(jìn)入糖酵解的葡萄糖通量和增加肌酸循環(huán)來促進(jìn)脂肪細(xì)胞產(chǎn)熱。
圖2. Zfp423的缺失通過增加糖酵解的葡萄糖通量和肌酸循環(huán)來增強(qiáng)脂肪細(xì)胞的產(chǎn)熱作用
iWAT和BAT脂肪細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組學(xué)&代謝組學(xué)特征分析
對熱中性小鼠iWAT和BAT的脂肪細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)測序，結(jié)果觀察到大多數(shù)基因在晝夜周期ZT19-7階段達(dá)到最大豐度，而較少的基因在ZT7-19階段表達(dá)。KEGG通路分析顯示，在ZT19-7階段的差異基因主要與信號通路、代謝途徑和細(xì)胞維持途徑相關(guān)；在ZT7-19階段，TCA循環(huán)、生熱、氧化磷酸化和晝夜節(jié)律相關(guān)的KEGG通路被富集；ZT3-15階段主要參與炎癥的KEGG通路；而在ZT15-3階段，可以觀察到氧化磷酸化、產(chǎn)熱、丙酮酸和碳代謝、活性氧和TCA循環(huán)等代謝途徑。
iWAT代謝組學(xué)研究結(jié)果揭示，熱中性小鼠的肌酸豐度和PCr/Cr比值在一整天都有節(jié)律性，CKB蛋白在ZT13處最為豐富；活動期進(jìn)食的小鼠在ZT13期間iWAT的肌酸豐度達(dá)到峰值，而這在非活動期進(jìn)食的小鼠中是缺乏的；兩組小鼠iWAT中CKB蛋白的積累時間相似。因此，豐富的肌酸和無效肌酸循環(huán)在脂肪組織中是有節(jié)律性的。
圖3. 轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示了脂肪細(xì)胞代謝的晝夜節(jié)律性
肌酸代謝介導(dǎo)的脂肪細(xì)胞生物鐘節(jié)律性
隨后對缺乏核心時鐘激活因子肌肉arnt樣蛋白1（Bmal1-KO）的原代脂肪細(xì)胞進(jìn)行基因組和代謝組學(xué)分析。在脂肪細(xì)胞Bmal1-KO小鼠的iWAT中，S-腺苷甲硫氨酸（SAM）、蛋氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶2A（MAT2A）和CKB的豐度顯著降低；脂肪細(xì)胞Bmal1-KO小鼠在活動期及非活動期喂食HFD的體重增加相同，具有相似的糖耐量，這表明脂肪細(xì)胞時鐘在TRF期具有顯著的代謝益處。此外，Bmal1-KO的原代脂肪細(xì)胞中肌酸豐度及代謝基因的表達(dá)降低，PCr/Cr比值增加，肌酸無效循環(huán)收到抑制。但當(dāng)給對照和Bmal1-KO小鼠喂食添加肌酸的HFD后，Bmal1-KO脂肪細(xì)胞顯著恢復(fù)了小鼠的體重增加、葡萄糖穩(wěn)態(tài)的損失以及iWAT肌酸和SAM的數(shù)量，而食物攝入量和活性沒有變化。整體的基因組和代謝組學(xué)結(jié)果表明，脂肪細(xì)胞分子時鐘產(chǎn)生與活動周期一致的節(jié)律性由肌酸合成和代謝來介導(dǎo)。
最后，以具有可誘導(dǎo)脂肪細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)基因表達(dá)BMAL1（Bmal1-Tg）的小鼠為對象，研究在缺乏脂肪細(xì)胞BMAL1的小鼠中增加肌酸豐度是否可以恢復(fù)飲食誘導(dǎo)的生熱。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)脂肪細(xì)胞Bmal1-Tg小鼠在熱中性下喂食HFD時，經(jīng)體重調(diào)整后的活動及非活動期的耗氧量均顯著增加；脂肪細(xì)胞Bmal1-Tg小鼠的葡萄糖耐受量也得到了改善；脂肪細(xì)胞Bmal1-Tg小鼠在iWAT中肌酸循環(huán)增加，Ckb和Gatm的表達(dá)增加。因此得出結(jié)論，放大脂肪細(xì)胞的核心時鐘節(jié)律足以增加能量消耗，減少體重增加。
圖4. 脂肪細(xì)胞生物鐘節(jié)律性通過肌酸代謝調(diào)節(jié)
綜上所述，本文通過對小鼠開展時間限時進(jìn)食法（TRF）研究，發(fā)現(xiàn)脂肪細(xì)胞肌酸代謝的晝夜節(jié)律控制是飲食誘導(dǎo)的生熱時間的基礎(chǔ)，確定了脂肪細(xì)胞時鐘在飲食誘導(dǎo)的生熱過程中的主要作用。這些發(fā)現(xiàn)揭示了肌酸節(jié)律性介導(dǎo)的生熱是驅(qū)動限時進(jìn)食代謝益處的重要機(jī)制，為控制體重和改善人類代謝健康提供了新的方向。
參考文獻(xiàn)
Hepler C, Weidemann BJ, Waldeck NJ, et al. Time-restricted feeding mitigates obesity through adipocyte thermogenesis. Science. 2022.
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