Cell Metabolism | 米色脂肪“自我刹车”——华中科技大学附属同济医院陈勇团队揭示IL-11/IL-11Ra-鞘脂代谢轴调控产热新范式

脂肪组织作为内分泌器官，能够分泌多种脂肪因子参与全身代谢调节。米色脂肪通过非颤抖性产热消耗大量能量，被视为减少脂肪堆积、抵抗肥胖的重要组织。然而，研究者对在肥胖等病理状态下，脂肪细胞因子如何参与重塑脂肪组织的能量代谢微环境，以及其在能量应激状态下的分泌特征和生理学作用仍缺乏系统性的认识。近日，华中科技大学同济医学院附属同济医院陈勇教授团队在Cell Metabolism上发表了题为“Adipokine IL-11/IL-11Ra constrains sphingolipid metabolism to limit the thermogenic capacity of beige adipocytes”的研究论文。该研究系统揭示了脂肪细胞因子IL-11在维持米色脂肪能量代谢平衡中的作用及其机制，建立了免疫代谢调控的新范式，为肥胖及相关代谢性疾病的治疗提供了新思路。

IL-11通过结合其特异性受体IL-11Ra激活下游通路。组织表达分析显示，IL-11和IL-11Ra的mRNA均在iWAT中显著富集，且免疫印迹与组化结果证实iWAT中IL-11Ra表达高于BAT，提示iWAT可能为IL-11的优先靶点。此外，棕色脂肪细胞高表达Ucp1而低表达IL-11Ra，周围白色脂肪细胞则相反；在米色脂肪细胞中，Fsk处理可下调IL-11Ra。这些结果说明IL-11Ra与脂肪细胞产热能力呈负相关。单细胞数据库分析发现，人皮下脂肪SVF中IL-11Ra富集于前脂肪细胞而非免疫细胞（图1J、1K），且其在人和小鼠脂肪细胞分化后表达进一步升高（图1L、1M），提示脂肪细胞IL-11/IL-11Ra可能发挥自分泌作用。值得注意的是，肥胖小鼠的iWAT、eWAT和BAT中IL-11及IL-11Ra水平均上调。人类样本分析显示，SAT中IL-11表达与腰臀比、血糖代谢指标及甘油三酯正相关；IL-11Ra则与BMI、腰臀比、血糖、甘油三酯正相关，与高密度脂蛋白负相关。基于此，研究者们推测IL-11/IL-11Ra信号可能参与脂肪细胞功能及全身代谢调控。

图1. IL-11是一种受肾上腺素能刺激诱导的脂肪因子

为在体内研究IL-11Ra对全身代谢的影响，研究者们首先利用全身IL-11Ra敲除（KO）小鼠。与野生型小鼠相比，全身KO小鼠在冷暴露后iWAT中Ucp1表达增强，体温升高，脂肪细胞减小，Ucp1阳性细胞增多；在CL-316243处理后也观察到类似表型。为进一步明确脂肪细胞特异性作用，研究者们构建了脂肪特异性IL-11Ra敲除小鼠（IL-11Ra^AKO，图2H）。来自IL-11Ra^AKO小鼠iWAT的原代脂肪细胞显示Ucp1水平升高（图2I）。在室温下，IL-11Ra^AKO与对照小鼠的产热基因表达和脂肪细胞大小无差异；但冷暴露后，IL-11Ra^AKO小鼠表现出更强的耐寒性，iWAT和eWAT中产热基因表达上调、脂肪细胞变小，而BAT无显著变化。这些结果表明IL-11/IL-11Ra主要在白色脂肪组织中作为代谢传感器调节能量适应。此外，在CL-316243处理后，IL-11Ra^AKO小鼠的iWAT呈现更强的产热特征（图2K），产热基因表达升高（图2L、2M），氧消耗增加（图2N），脂肪细胞和脂滴更小，且Ucp1阳性细胞比例更高（图2O）。

图2. 脂肪细胞IL-11/IL-11Ra抑制产热和能量消耗

为探究IL-11Ra缺失能否逆转饮食诱导的肥胖，研究者们给全身IL-11Ra KO小鼠和野生型小鼠分别喂食正常饮食（ND）或高脂饮食（HFD）10周。ND条件下体重无显著差异；HFD喂养后，KO小鼠体重增加显著减少，脂肪组织和肝脏重量降低，空腹血糖和胰岛素水平下降，葡萄糖耐量和胰岛素抵抗改善，血清脂质（TC、NEFA、LDL）水平降低。此外，KO小鼠的脂肪细胞和脂滴更小，iWAT中产热基因（Ucp1、Pgc1α等）表达升高，肝功能改善，肝脏脂肪积累和纤维化减轻。鉴于IL-11/IL-11Ra在其他器官也有表达，研究者们在脂肪特异性IL-11Ra^AKO小鼠中进行了相同研究。与全身KO结果一致，IL-11Ra^AKO小鼠在HFD后体重增加减少，脂肪垫和肝脏质量降低，脂肪细胞变小，肝脏脂质沉积减少，炎症和纤维化减轻，氧消耗和产热增加，葡萄糖耐量和胰岛素抵抗改善，血脂异常缓解（图3A-3M）。这些数据表明，脂肪细胞特异性IL-11Ra缺失通过增强产热作用保护小鼠免受HFD诱导的肥胖。值得注意的是，脂联素水平在IL-11Ra^AKO小鼠中无显著变化，排除了这一保护性脂肪因子的直接参与。

图3. 脂肪细胞中IL-11Ra缺失改善HFD诱导的肥胖

为探究IL-11的作用机制，研究者们检测了STAT3和ERK1/2信号，两者在其他细胞中已被报道为IL-11的下游通路。IL-11处理小鼠米色脂肪细胞5-30分钟可诱导STAT3和ERK1/2磷酸化（图4N），该效应在IL-11Ra^-/-脂肪细胞中消失（图4O）。与之一致，IL-11Ra^AKO小鼠iWAT中两者的磷酸化水平均降低（图4P）。使用抑制剂发现，抑制STAT3可上调Sphk1，而抑制ERK1/2无此效应；siRNA敲低STAT3同样增加Sphk1表达。此外，IL-11对Sphk1的抑制作用可被STAT3抑制剂逆转（图4Q、4R），但对ERK抑制剂不敏感（图4Q、4S）；IL-11诱导的S1P下降也仅通过抑制STAT3得以恢复（图4T）。进一步实验表明，STAT3直接结合Sphk1启动子并负调控其转录。总之，这些结果表明IL-11诱导的STAT3激活负向调节Sphk1转录。

图4. IL-11Ra缺失重塑鞘脂代谢

为在体内评估Sphk1是否介导IL-11Ra缺失的代谢益处，研究者们在冷暴露前向IL-11Ra^AKO小鼠腹腔注射Sphk1抑制剂PF543以抑制S1P合成（图5A）。PF543处理使IL-11Ra^fl/fl和IL-11Ra^AKO小鼠的S1P水平均下降（图5B）。在对照小鼠中，Sphk1抑制导致耐寒性下降和产热基因减少，表明产热功能受损；同时，这种抑制也削弱了IL-11Ra^AKO小鼠因IL-11Ra缺失而增强的耐寒性和产热（图5C-5H）。此外，PF543消除了IL-11Ra^AKO小鼠中脂肪细胞减小的表型（图5G）。为局部验证，研究者们向iWAT注射携带shSphk1的AAV，同样观察到Sphk1敲低导致氧化代谢和产热基因下调（图5I-5O）。进一步在HFD喂养10周后，Sphk1缺陷使IL-11Ra^AKO小鼠的脂肪垫质量和脂肪细胞尺寸增加，并削弱了由IL-11Ra缺失带来的胰岛素抵抗和血脂异常改善（图5P-5T）。这些结果表明，Sphk1是IL-11Ra缺失介导的代谢益处所必需的关键。

图5. 抑制Sphk1消除IL-11Ra缺失相关的代谢益处

为探究S1P的作用机制，研究者们对冷刺激下IL-11Ra^AKO和对照小鼠的iWAT进行GO分析，发现钙信号通路在两组中均富集。鉴于S1P与cAMP和钙动态相关，研究者们检测了cAMP信号。S1P处理增加脂肪细胞内cAMP水平，但PKA抑制剂H89虽降低Ucp1表达，却未阻断S1P对Ucp1的诱导，提示cAMP并非唯一通路。考虑到线粒体钙对电子传递链的重要性，研究者们检测了钙动态。IL-11Ra缺失小鼠iWAT中线粒体钙摄取增加（图6F）。在米色脂肪细胞中，抑制Sphk1降低线粒体钙（图6G）；外源性S1P则升高胞内和线粒体钙、降低内质网钙，这些效应被S1pr1拮抗剂W146消除（图6H-6J）。值得注意的是，在棕色脂肪细胞中，S1P虽增加线粒体钙，但不受W146抑制；在白色脂肪细胞中则无显著变化，表明该调控具有米色脂肪细胞特异性。进一步发现，敲低Sphk1或S1pr1，以及抑制IP3受体，均阻断S1P诱导的IP3升高和钙向线粒体的转运（图6K-6Q）。这些发现表明Sphk1/S1P/S1pr1通过IP3增强钙从ER向线粒体的转运，最终改善线粒体功能。

图6. S1P/S1pr1调节脂肪细胞钙从内质网向线粒体的转运

多肽药物因其高特异性和安全性而成为强有力的治疗方法。因此，研究者们考虑是否能够通过一种干扰IL-11/IL-11Ra结合的多肽来影响脂肪组织功能。为了鉴定IL-11中与IL-11Ra结合的区域，研究者们进行了分子对接分析以描绘相互作用区域，并基于Surflex-Docking模块设计了IL-11Ra阻断多肽（PP）（图7A）。在HFD喂养3周后，研究者们将PP或乱序多肽（PPCtrl）注射到WT小鼠的腹股沟脂肪垫中。随后这些小鼠继续接受HFD喂养5周（图7B）。PP处理导致HFD诱导的体重增加减少（图7C）。值得注意的是，iWAT、eWAT、BAT和肝脏重量均显著降低（图7D和7E）。H&E染色显示，PP处理后脂肪组织和肝脏中的脂肪积累水平较低（图7F）。此外，这些小鼠在HFD条件下还表现出改善的葡萄糖耐量、胰岛素敏感性，以及更低的血清TG、TC和LDL水平（图7G-7I）。与对照组相比，PP处理小鼠iWAT中的产热基因表达升高（图7J）。这些发现表明，多肽介导的IL-11Ra阻断可减轻HFD诱导的胰岛素抵抗和代谢功能障碍，支持其作为肥胖相关代谢疾病治疗策略的潜力。

图7. 用多肽阻断IL-11Ra改善肥胖相关代谢功能障碍

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