Sirt1/PGC-1α的表观遗传修饰调控小鼠棕色脂肪组织能量代谢的机制研究

The energy metabolism of brown adipose tissue is closely related to the development of obese. However, the specific mechanism is still unclear. A number of studies have indicated that dietary and environmental factors could lead to epigenetic changes, which might played important role in the pathogenesis of obesity and related diseases. Our previous work revealed the levels of PGC-1a gene methylation and histone acetylation were increased in obese mice, and the activity of Sirt1 protein was decreased. We speculated that PGC-1α epigenetic modification and the expression regulation of its related protein Sirt1 might play a pivotal role in the regulation of energy metabolism in brown adipose tissue. In this proposed study, we intended to investigate the methylation and histone modification of PGC-1α, and expression of Sirt1 and other genes in brown adipose tissue in obese mice. Focus on the expression and activity of Sirt1, we will explore the regulation network of Sirt1 and PGC-1α in brown adipose tissue energy metabolism after drugs intervention. In the meantime we will investigate the relationship between Sirt1/PGC-1α epigenetic modifications and brown fat content/heat production in patients with obesity or type 2 diabetes in childhood and adulthood. This study aims to elucidate the molecular mechanisms of epigenetic modification in regulating energy metabolism in brown adipose tissue, and its role in the pathogenesis of obesity and related diseases. These studies may lead to the finding of novel therapeutic targets and early-warning biomarkers for obese treatment and intervention.

棕色脂肪组织能量代谢与肥胖的发生发展密切相关，但具体机制不明。众多研究表明饮食、环境等因素引起的表观遗传改变在肥胖及相关疾病发病机制中发挥重要作用。本课题组前期发现肥胖小鼠棕色脂肪组织PGC-1α基因甲基化及组蛋白乙酰化水平升高，且Sirt1蛋白活性减低。据此我们推测PGC-1α表观遗传修饰与Sirt1在棕色脂肪组织能量代谢调节中至关重要。本研究拟重点检测肥胖小鼠的棕色脂肪组织PGC-1α甲基化和组蛋白乙酰化及Sirt1等蛋白活性，以Sirt1为切入点，通过药物干预其活性，探索Sirt1在PGC-1α调控棕色脂肪组织能量代谢分子网络中的作用，并研究Sirt1/PGC-1α表观遗传修饰与儿童期、成年期肥胖和2型糖尿病人群样本棕色脂肪含量及产热功能的关系。项目旨在阐明表观遗传修饰调节棕色脂肪组织能量代谢的分子机制和在肥胖及相关疾病发生发展中的作用，并为治疗干预提供新的途径和靶点及生物预警标志。

脂肪组织能量代谢与肥胖的发生发展密切相关，但具体机制不明。本课题组前期研究证实表观遗传修饰在脂肪组织能量代谢调节中可能有着至关重要的作用。本研究围绕肥胖中脂肪组织的表观遗传学调控展开一系列研究。首先成功建立了高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型，并通过微量渗透压泵对小鼠进行β3受体激动剂处理，发现β3受体激动剂处理后肥胖小鼠出现明显的白色脂肪量减少、白色脂肪米色化和棕色脂肪活化以及糖脂的代谢改善。进一步研究显示β3受体激动剂治疗可显著增加肥胖小鼠棕色脂肪及白色脂肪产热基因的mRNA水平和蛋白Ucp1的表达。但焦磷酸测序提示高脂饮食、β3受体激动剂处理对棕色脂肪组织、皮下白色脂肪组织PGC1a基因启动子区域甲基化水平无明显影响。随后本课题组对正常小鼠与肥胖小鼠腹股沟皮下脂肪组织进行全基因组甲基化测序，结果发现sirt1启动子甲基化水平升高，能量代谢相关的重要基因Akt2、Pck1、Acly、Fasn等基因启动子甲基化水平都有明显变化，此外脂肪细胞分化重要基因（如PRDM16、PPARγ、C/EBP、ADRB3等）、脂肪细胞功能重要基因（如FGF21、Adiponection、RBP4、apoE等）启动子区域甲基化水平亦有显著差异。根据以上研究结果，我们筛选肥胖组启动子区甲基化水平改变较大的基因，并对该组基因mRNA表达水平进行验证，发现erlin2、fam198b、rhobtb1、klhl4等基因在小鼠脂肪细胞中的mRNA表达水平与其启动子甲基化程度符合，上述基因可能是参与肥胖小鼠脂肪组织表观遗传学调控的新靶点。综上所述，本研究发现高脂饮食、β3受体激动剂对脂肪组织PGC1a基因启动子区域甲基化水平无明显影响，但肥胖可导致脂肪组织中多种基因甲基化水平改变，其中涉及能量代谢、脂肪细胞分化、脂肪细胞功能等多个通路，提示脂肪组织的启动子甲基化这一表观遗传调控在肥胖的发生发展中有着重要作用，可能为肥胖的治疗干预提供新的途径和靶点及生物预警标志。