撰文 | 風

焦耳熱力學第一定律（Q=I2×R×T）可以解釋哺乳動物棕色和米色脂肪UCP1介導的產熱原理。這種UCP1介導的非戰栗產熱也成為機體代謝的重要理論以及代謝獲益的靶點【1】。許多動物如豬缺少功能性UCP1，但其脂肪細胞仍保留產熱能力【2】。此外，有袋類動物表達非產熱UCP1的米色樣組織也能發熱維持體溫【3】。這些證據均提示存在UCP1非依賴的產熱途徑。近些年研究也證實存在UCP1非依賴的產熱途徑，如ATP偶聯的底物無效循環，包括肌酸、脂肪和Ca2+【4-6】（詳見BioArt報道：）。無效循環受到生理刺激如去甲腎上腺素的緊密調節，其特征是兩條相反的代謝通路同時進行，其功能紊亂導致病理性高熱。迄今為止，無效循環產熱的生物學機制仍不甚清楚。根據焦耳熱力學定律，無效循環產熱的關鍵是鑒定該通路的分子電阻（R）。在肌肉中，肌脂蛋白（sarcolipin，SLN）作為“R”結合并抑制肌漿網/內質網鈣ATP酶A1（SERCA1）干擾Ca2+運輸，導致ATP水解產生的能量以熱量形式釋放【7】。然而，脂肪細胞并不表達SLN或其他SERCA結合肽【8】。因此，脂肪細胞內無效循環的分子電阻仍不清楚。

近日，美國霍華德休斯醫學研究所Shingo Kajimura團隊在Cell Metabolism雜志在線發表了題為Identification of a molecular resistor that controls UCP1-independent Ca2+ cycling thermogenesis in adipose tissue的研究文章。該文章鑒定C4orf3作為分子電阻解偶聯SERCA2b的ATP水解和Ca2+轉運引起放熱，進而參與UCP1非依賴的Ca2+循環產熱和機體能量代謝。

作者基于等溫滴定量熱法（ITC）技術開發可以在細胞器水平定量熱量產生的監測平臺。在分離的線粒體，加入蘋果酸鹽、丙酮酸鹽、谷氨酸鹽和琥珀酸鹽或者棕櫚酰肉堿和蘋果酸鹽分別激活復合體I+II或β氧化并監測熱量。在分離的微粒體，加入ATP、Ca2+和/或thapsigargin（SERCA抑制劑）監測微粒體產熱。作者分離小鼠肩胛間棕色脂肪組織（iBAT）和腹股溝白色脂肪組織（lngWAT）來源的線粒體和微粒體并監測產熱。結果發現iBAT的產熱主要來自復合體I+II和β氧化，而lngWAT則主要來自于SERCA介導的產熱和復合體I+II。此外，UCP1缺失進一步促進lngWAT SERCA介導的產熱，這可能與UCP1缺失上調SERCA表達有關。總之，這些數據表明UCP1非依賴Ca2+循環產熱是lngWAT的重要產熱方式，尤其是在UCP1缺失條件下。

隨后，作者尋找對于SERCA介導的Ca2+循環產熱的關鍵因子。實驗室之前測序數據結合蛋白同源性分析和結構預測發現C4orf3可能是SERCA的結合蛋白。IP實驗證實C4orf3可以直接結合SERCA2b。脂肪細胞敲除C4orf3顯著促進去甲腎上腺素引起的Ca2+內流，提示C4orf3和SLN類似可以作為SERCA的抑制肽，這與既往研究一致【9】。C4orf3介導的Ca2+內流抑制作用也體現了其在產熱中的分子電阻作用。ITC實驗證實C4orf3敲除脂肪細胞來源的微粒體Ca2+循環產熱顯著降低。那么，C4orf3如何調節SERCA2b的Ca2+轉運效率呢？AlphaFold3預測結合Turbo-ID鄰近標記蛋白質組學分析發現C4orf3借助其跨膜域結合在SERCA2b的跨膜域。突變實驗也證實C4orf3的跨膜域和胞內域對于Ca2+循環產熱十分重要。值得一提的是，C4orf3必須在SERCA2b存在時發揮產熱作用。這些數據支持C4orf3通過降低SERCA2的Ca2+轉運效率，促進微粒體Ca2+循環產熱。

在體內，C4orf3敲除與對照小鼠在6℃冷刺激時直腸溫度沒有差異，這可能與脂肪組織代償性UCP1產熱增加以及骨骼肌戰栗產熱有關。分離低溫刺激小鼠的lngWAT發現C4orf3敲除缺失增加脂肪組織的氧化代謝率（OCR）。此外，轉錄分析也表明C4orf3敲除增加脂肪組織Ucp1和Dio2表達。ITC實驗直接表明C4orf3敲除小鼠來源線粒體UCP1介導的產熱量增加。因此，為了排除UCP1的代償作用，作者構建C4orf3和UCP1雙敲小鼠（DKO）。DKO和UCP1敲除小鼠經過CL316,243（β3腎上腺素能受體激動劑）處理后給予6℃冷刺激。UCP1敲除小鼠在6小時內都可以維持核心溫度，而DKO小鼠核心溫度逐漸降低至5小時低于30℃，甚至在6小時發展為低溫癥。Ca2+攝取和ITC實驗揭示DKO小鼠來源的微粒體Ca2+攝取能力增強以及產熱增加。值得注意的是，RNA-seq分析也表明UCP1缺失時脂肪組織Ca2+循環產熱相關基因表達增加，如Atp2a2（編碼SERCA2）、Ryr2和Itpr1。這些結果均提示C4orf3對于UCP1非依賴產熱以及冷刺激適應是必須的。

最后，作者檢測不同體重脂肪組織C4ORF3的表達差異，發現3級肥胖（BMI>40）和2型糖尿病患者皮下脂肪細胞C4ORF3表達顯著降低。GWAS研究提示C4ORF3與BMI、低密度脂蛋白膽固醇和冠心病均有關。這些結果提示C4ORF3與能量代謝相關。在正常飲食時，盡管小鼠攝食和體重無差異，但C4orf3敲除小鼠的脂肪組織占比更多。病理切片分析發現C4orf3敲除小鼠的附睪和腹股溝脂肪細胞體積更大。胰島素耐量實驗表明正常飲食條件下C4orf3敲除小鼠胰島素耐量降低，且空腹胰島素和血清甘油三酯水平也高于對照組。總之，C4orf3缺陷促進肥胖和胰島素抵抗。

綜上所述，這項研究揭示內質網膜錨定肽-C4orf3可以解偶聯SERCA2b的ATP水解和Ca2+轉運，進而引起放熱。C4orf3缺失增強Ca2+轉運效率但抑制SERCA介導的UCP1非依賴產熱，并加重脂肪比例和胰島素抵抗。總之，C4orf3作為分子電阻參與UCP1非依賴的Ca2+循環產熱和能量代謝。

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2025.03.009

制版人： 十一

參考文獻

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