棕色脂肪细胞脂滴线粒体互作的建立及维持机制研究

Brown adipose tissue (BAT) plays an important role in heat production and triglyceride clearance using lipid droplets (LDs) and mitochondria. We and other researchers have reported the physical contact between LDs and mitochondria in BAT. However, how the resource organelle (i.e. the LD) contacts with the effector organelle (i.e. the mitochondrion) to allow BAT to instantly respond to the environmental cold is unclear. Here we will focus on how the two organelles in brown adipocyte are connected and how the contact is maintained. A bottom-up strategy, conducting organellar other than whole tissue omics, will be used. We will use the mice housed under thermoneutral, standard and cold temperature and the brown adipocyte differentiation system as models. Transcriptomics, comparative proteomics, protease protection assay, and immuno-gold transmission electron microscopy method will be applied to find out the protein (complex) mediating the contact. The maintaining mechanism will be figured out by using molecular biology, bioinformatic method, and mitochondrial activity assay. This study would facilitate understanding the mechanism of brown adipocyte in heat production as well as the function in the regulation of energy homeostasis.

棕色脂肪组织（BAT）能够通过非运动的方式增加能量消耗（产热），并能够有效清除外周多余的能量，这些功能的发挥需要能量供给细胞器脂滴与效应细胞器线粒体的密切配合。我们及其他研究者的工作，均揭示棕色脂肪细胞中脂滴线粒体有着紧密的物理接触，但是这种紧密结合是如何建立并维持从而使BAT能够对外界温度的变化迅速做出响应，尚不明确。本项目拟研究棕色脂肪细胞中脂滴线粒体互作的建立及维持机制，采用纯化细胞器这种“自下而上”的研究思路，以不同温度刺激下小鼠BAT的响应，及棕色脂肪前体细胞分化过程，为研究模型，以转录组、比较蛋白质组、酶解保护实验、免疫电镜为研究手段，寻找参与互作建立的蛋白质复合物（机器）；同时用分子生物学、生物信息学方法，线粒体活性测定生化手段，验证该蛋白质（复合物）对脂滴线粒体维持的影响，探索二者结合的调控机制。该项目对于理解棕色脂肪细胞在产热及机体代谢稳态调控的机制，具有十分重要的意义。

超重及肥胖是严重危害人类健康的重大问题。减少能量累积是减缓体重增加，预防肥胖发生的有效手段。如果能够诱导机体对多余能量进行代谢清除，并将其转化为热量进行消耗，可能是解决机体能量收入支出失衡的重要思路。棕色脂肪细胞通过非运动的方式增加能量消耗，并能够有效清除并利用外周循环中的多余的代谢物，使得其成为治疗肥胖及相关代谢性疾病的研究热点。棕色脂肪细胞中脂滴线粒体的互作及其有效调控对于其高效产热及参与代谢至关重要。但棕色脂肪细胞脂滴线粒体是如何互作实现对外界环境的迅速反应，迅速将脂肪酸氧化释放热量的，尚不明确。因此，本项目核心的研究围绕棕色脂肪细胞中脂滴线粒体互作（结合）的建立及维持机制开展，包括：探索棕色脂肪细胞中，脂滴线粒体互作（结合）的维持机制；分析棕色脂肪细胞中脂滴结合的线粒体与胞浆线粒体在脂肪酸代谢方面的差异；寻找棕色脂肪细胞中介导脂滴线粒体结合的蛋白质复合物（机器）。研究结果表明，棕色脂肪组织等氧化型组织中，存在着不同类型的线粒体，有些线粒体亚群（subpopulation）与脂滴密切结合（可能通过形成铆钉样结构实现），有些存在于胞浆中，与脂滴动态接触。我们从纯化的脂滴、线粒体入手，采用“自下而上”的研究思路，以不同温度刺激下的小鼠棕色脂肪组织，为研究模型，以多种生化方法，比较蛋白质组等手段，发现棕色脂肪组织中脂滴结合的线粒体（LDAM），与胞浆线粒体（CM）相比，具有更高的脂肪酸氧化活性，解偶联相关的产热过程更易发生，从而能够迅速将脂肪酸氧化释放热量，实现机体对外界环境的迅速反应。进一步，我们通过酶解保护实验，结合蛋白组学分析未被消化的条带，发现Protein X在棕色脂肪前体细胞分化为棕色脂肪细胞，以及小鼠棕色脂肪组织产热过程中，发挥着重要的作用，Protein X的敲除，导致棕色脂肪前体细胞分化为棕色脂肪细胞受阻，小鼠敲除Protein X后，棕色脂肪组织产热受到影响。此外，利用崭新的思路，结合非编码RNA编码的蛋白构建的数据库，发现由注释为非编码RNA的序列编码而来的新蛋白LDANP2，可能参与了脂滴线粒体互作。这些成果的取得和体系的建立，对于阐明棕色脂肪细胞产热机制，以及研究机体脂质异位贮存、机体代谢稳态调控，具有十分重要的意义。