CNC-bZIP转录因子NRF1在砷致白色脂肪细胞新生及功能障碍中的作用机制研究

Environmental arsenic exposure is a worldwide public health problem. Chronic exposure to inorganic arsenic (iAs) is associated with increased prevalence of type 2 diabetes (T2D). White adipose tissue (WAT) is an active organ that can store and release energy, maintain glucose homeostasis, and secrete a variety of factors that influence appetite, insulin sensitivity, inflammation and many other pathways of biological and clinical significance. iAs and its trivalent methylated metabolites inhibit adipogenesis and impair adipose function. However, the underlying mechanism remains elusive. Our previous studies demonstrated that iAs, in the early stage of adipogenesis, significantly induces the protein expression of long isoforms of NRF1 (L-NRF1), a primary transcription factor regulating adaptive antioxidant response. L-NRF1 negatively regulate the expression of PPARγ, a master regulator of terminal adipogenic differentiation and adipose function. Thus, we hypothesize that induction of L-NRF1 by iAs is responsible for the inhibitory effects of arsenic on adipogenesis and insulin sensitivity. To test the hypothesis, we plan to determine the involvement of L-NRF1 in arsenic-induced impairments in adipogenesis and insulin sensitivity in human adipose-derived stem cells and mouse preadipocytes. In addition, we will investigate the mechanism(s) by which arsenic-induced L-NRF1 suppresses expression of PPARγ during adipogenesis. Finally, we plan to investigate the in vivo effects of iAs exposure on adipogenesis and adipose development and determine the roles of NRF1 in the processes. Successful completion of the specific aims will provide important novel insight into the effect of iAs exposure on WAT development and function and thus enable us to understand the mechanism(s) of iAs-induced T2D. This could further lead to a novel strategy for the prevention and treatment of T2D associated with environmental arsenic exposure and related metabolic syndrome.

环境砷暴露是全球性公共卫生问题，与2型糖尿病等代谢性疾病的发生密切相关。白色脂肪组织在维持糖脂代谢稳态和能量平衡中至关重要。我们研究发现，无机砷及其三价甲基化代谢产物抑制脂肪细胞新生，并导致胰岛素抵抗；在多种细胞中，无机砷诱导适应性抗氧化反应的核心转录因子长亚型NRF1（L-NRF1）的表达，而L-NRF1负向调控脂肪新生关键调控因子Pparγ的表达和脂肪终末分化。我们假设：砷暴露通过诱导表达L-NRF1抑制脂肪细胞新生，导致胰岛素抵抗。本研究拟应用前脂肪细胞株及脂肪来源干细胞，阐明各亚型NRF1在砷致脂肪细胞新生及功能障碍中的作用，探讨砷诱导的L-NRF1表达负向调控Pparγ的机制；应用异位培育脂肪组织和脂肪特异性Nrf1基因敲除小鼠，阐明NRF1在饮水型砷暴露所致的脂肪组织新生和功能障碍中的作用。本项目将为阐明环境砷暴露所致胰岛素抵抗的机制打开缺口，并为砷致糖尿病的防治提供科学依据。

环境砷暴露因分布范围广和受影响人口基数大而成为全球性的严重公共卫生问题，与糖尿病等代谢疾病的发生密切相关。脂肪组织是参与机体能量代谢和维持糖脂稳态的核心器官，已伴随社会经济条件的显著改善成为近年来研究代谢性疾病的重点靶点。脂肪细胞是脂肪组织中的主要功能性细胞群，为具体参与脂肪酸转运、储存、分解和代谢的专门细胞类别。白色脂肪细胞是贮存和动员脂肪酸的主要场所，其功能状态的维持是避免代谢紊乱的生理基础。转录因子NRF1是CNC-bZIP蛋白家族核心成员之一，主要参与保护细胞的抗氧化应激反应，同时也参与脂代谢、内质网应激和线粒体呼吸等生物学过程。尽管已报导的分子流行病学分析及本团队前期工作发现NRF1与脂肪组织功能密切相关，然而机制不明。基于该背景，我们对砷暴露致脂肪细胞功能紊乱及NRF1在这一过程中的作用进行了相关研究。本研究应用基因沉默和过表达的前脂肪细胞系、脂肪细胞特异性敲除NRF1的实验动物及相关的分子生物学检测分析技术，对我们的研究假设进行了验证和深入的机制探索。在项目执行过程中，我们分析了砷暴露对脂肪组织及NRF1表达的影响；比较了各亚型NRF1在成脂分化中的功能异同；细致探讨了长亚型NRF1调控成脂核心因子PPARγ表达的机制；以及确认了NRF1在脂肪细胞中的功能等。本研究发现：1）砷暴露可造成脂肪组织等多脏器的砷蓄积；2）砷暴露可降低动物血糖调节能力，干扰脂肪组织关键基因的表达；3）砷暴露可诱发脂肪NRF1表达；4）NRF1敲除造成动物脂肪组织功能障碍，导致严重的代谢紊乱；5）各亚型NRF1在成脂分化过程中功能不一致；6）长亚型NRF1可通过结合启动子区域，负向调控PPARγ基因转录从而抑制脂肪形成。该项目的研究发现对NRF1在砷致脂肪组织发育及功能障碍中的作用进行了深入的机制探索，对砷诱发代谢性疾病的机制研究及相关疾病防治策略的制订提供了实验室依据。