β-catenin 调控棕色脂肪与骨骼肌相互转化作用及机制研究

Recent data have shown that brown fat and skeletal muscle both derive from the Myf5 cellular lineage, and PRDM16 is identified as a determinant of a brown fat/skeletal muscle switch. We have found that fat tissue specific β-catenin knockout mice (AP2-BKO) showed reduced body weight, improved glucose tolerance and insulin sensitivity. Brown adipocytes of AP2-BKO mice contained a dramatic decrease in lipid droplets.We further performed cDNA micro-array of brown fat of wild-type and AP2-BKO mice, very interestingly, we detected a much increase in muscular specific markers in brown fat of AP2-BKO mice. These results strongly indicated that loss of β-catenin promotes brown fat to skeletal muscle switch. We thus hypothyze that β-catenin may be a novel fator to control brown fat/skeletal muscle switch.In this project, we will use AP2-BKO and Adiponectin-Cre-BKO mice models and apply primary cell isolation and brown adipocyte differentiaiton as well as other biomolecular techniques to further investigate the role of β-catenin in controling brown fat/skeletal muscle switch in vitro and in vivo, and examine the role of β-catenin in regulating the PRDM16-C/EBP-βtranscriptional complex, thereby elucidating the molecular mechanism of β-catenin in controling brown fat/skeletal muscle switch. This study will provide a novel candiate to regulate brown fat/skeletal muscle switch and fullfil the theory of brown fat diferentiation.

棕色脂肪和骨骼肌共同起源于Myf5祖细胞，二者转化机制不清楚。最新研究表明，PRDM16是控制骨骼肌和棕色脂肪相互转化的分子开关。我们前期研究发现，脂肪组织特异性β-catenin敲除小鼠（AP2-BKO）呈现体重减轻，糖耐量改善，棕色脂肪脂滴减少。基因表达谱分析表明，敲除小鼠棕色脂肪出现骨骼肌标志基因高表达，这提示β-catenin缺失促进棕色脂肪向骨骼肌转化，那么β-catenin是否是另一个调控棕色脂肪与骨骼肌命运决定的分子开关呢？本课题拟以AP2-BKO和Adiponectin-Cre-BKO小鼠为主要模型，借助原代细胞分离诱导技术和分子生物学实验，从体内、外水平证明β-catenin调控棕色脂肪和骨骼肌相互转化；进一步证明β-catenin对PRDM16转录复合体的翻译后修饰，从而阐明β-catenin调控二者转化的分子机制。这将为棕色脂肪和骨骼肌转化研究提供新的靶点和理论认识。

脂肪组织在能量平衡中起重要调节作用，而经典wnt/β-catenin信号通路是脂肪分化发育的重要调节通路，但其体内功能仍不清楚。本研究建立AP2-Cre驱动的脂肪组织特异性β-catenin敲除小鼠（AP2-BKO）和Adiponectin-Cre驱动的脂肪组织特异性β-catenin敲除小鼠模型（Adi-BKO），进行体内代谢表型分析，发现AP2-BKO小鼠存在多组织β-catenin非特异性敲除，小鼠表现出体重减轻，脂肪组织发育障碍。Adi-BKO小鼠中β-catenin在成熟脂肪细胞特异性敲除，小鼠在正常饮食情况下体重无明显改变，但可明显抵抗高脂饮食诱导的肥胖，与对照小鼠相比，Adi-BKO小鼠体脂含量显著下降，葡萄糖耐量和胰岛素敏感性均显著改善。组织形态学实验表明β-catenin在成熟脂肪细胞特异性敲除后，脂肪细胞直径无明显改变，但数目明显下降，而由于成熟脂肪细胞的分裂增殖能力很弱，我们推测Adi-BKO小鼠脂肪细胞数目的减少可能是由于脂肪组织前体细胞数目减少、进而导致分化成熟的脂肪细胞数目下降。我们进一步证明PDGFRα阳性脂肪前体细胞数目在Adi-BKO小鼠细胞显著减少，这些研究结果提示β-catenin在脂肪组织特异性敲除后，可能通过抑制脂肪前体细胞数目从而抑制成熟脂肪细胞生成。进一步机制研究发现，β-catenin敲除可下调脂肪细胞分泌蛋白Saa3表达，体外实验证明Saa3是新的β-catenin/TCF的下游靶基因，结合以往文献报道，Saa3可促进细胞增殖，因此，Saa3可能是β-catenin调控脂肪前体细胞以及成熟脂肪细胞数目的介导蛋白。本项目首次建立脂肪组织特异性β-catenin敲除小鼠，阐明经典Wnt信号通路核心分子β-catenin在体重调节和代谢中的作用，并揭示Saa3是新的Wnt/β-catenin信号通路靶基因，可能是β-catenin调节脂肪堆积和肥胖的分子机制，为肥胖干预提出新的干预靶点。鉴于Wnt/β-catenin信号通路在多种肿瘤发生中的重要作用，大量Wnt信号通路抑制剂已经开发，该信号通路抑制剂如果靶向脂肪组织给药有望能在减肥药物开发中取得重要突破。