又现抑癌基因调控代谢！复旦潘东宁团队 PNAS 报道甲基转移酶通过p53调控脂肪产热

2020-09-15

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P53 作为基因组的「安全卫士」，在细胞的一生中发挥重要的监控作用。当细胞受到外界刺激时，DNA 发生损伤时，p53 被激活，启动 DNA 修复程序。同时 p53 也参与细胞周期、细胞死亡、线粒体自噬等多个过程^（1）。被广为人知的是 p53 的突变，会促进血管生成、肿瘤迁移等不良后果，堪称最有名的原癌突变之一。

「人怕出名猪怕壮」，这不，这项最新研究指出产热脂肪中的 p53 功能也不容小觑！

图片来源：Nature Reviews Cancer

KMT5c（一种赖氨酸甲基转移酶）主要功能是介导 H4K20me1 连续甲基化为 H4K20me2 和 H4K20me3，对于确保基因组完整性至关重要⁽²⁾。脂肪细胞的产热功能依赖于一系列独特的转录和表观遗传调控因子的监控。组蛋白甲基化是基因组织特异性表达过程中必需的表观遗传调控模式。但是，H4K20 甲基化在产热脂肪细胞中的作用尚未阐明。

图片来源：NUCLEIC ACIDS RESEARCH

2020 年 9 月 8 日，复旦大学医学院潘东宁团队在 PNAS 杂志上在线发表了题为 KMT5c modulates adipocyte thermogenesis by regulating Trp53 expression 的研究成果 ⁽³⁾。该项研究证明 KMT5c 介导的 H4K20 甲基化在维持和激活脂肪细胞产热过程的重要生理作用，表明激活 KMT5c 甲基转移酶活性是治疗代谢疾病的潜在策略。

图片来源：PNAS

研究内容：

1. 敲除 Kmt5c 会抑制脂肪细胞产热功能。

在永生化的棕色脂肪前体细胞分化过程中，慢病毒敲除 Kmt5c 后，会导致棕色脂肪特异性基因表达下降。在功能上起作用的 Kmt5c，其敲除细胞中的耗氧率显著低于对照细胞。KMT5c 为体外棕色脂肪细胞产热基因表达所必需。腹腔注射 β3 - 肾上腺素受体激动剂 Cl316,243 后，棕色和白色脂肪中 KMT5c 蛋白水平显著增加。KMT5c 参与 β3 - 肾上腺素信号级联反应诱导的脂肪细胞棕色化过程，驱动的脂肪细胞产热。

图片来源：PNAS

2. Kmt5c 通过调控 Ucp1 表达控制白色脂肪棕色化。

在从 Kmt5c 基因敲除小鼠分离得到的米色脂肪组织 SVF 细胞中，Kmt5c 表达降低导致脂肪细胞基因表达下降。通过将 Kmt5cflox /flox 小鼠与 Adipoq-Cre 小鼠杂交，获得 Kmt5c 脂肪组织特异敲除（AdKO）小鼠。与 WT 小鼠相比，AdKO 小鼠米色脂肪组织中的 Ucp1 蛋白水平显著降低，且小鼠出现冷不耐受现象。饲喂 4 周高脂饲料后，AdKO 小鼠在热中性环境下体重更重。KMT5c 在热中性环境下维持棕色脂肪组织 Ucp1 表达很重要，在环境温度和急性冷暴露下维持体温也非常必要。

图片来源：PNAS

3. 高脂（high fat diet, HFD）喂养的 kmt5c 缺陷小鼠更胖。

高脂饲喂 17 周的 AdKO 小鼠的平均体重比 WT 小鼠重 6.9 g，AdKO 小鼠棕色脂肪细胞和肝细胞积累了更多的脂肪，且白色脂肪细胞异常肥大。此外，AdKO 小鼠葡萄糖耐受能力下降。

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4. Kmt5c 缺失增强了 Trp53 的表达。

在 Kmt5c 敲减的棕色和米色脂肪细胞中进行筛选，发现 Trp53（在小鼠中编码 p53 的基因）显著表达。用 Cl316,243 处理棕色和白色脂肪组织，p53 蛋白水平显著降低。Cl316,243 处理会增加 Trp53 启动子的 H4K20me3 修饰。证明脂肪细胞中的 p53 是 KMT5c 下游的关键因子之一。

图片来源：PNAS

5. KMT5c 和 YBX1 协同抑制 Trp53 表达。

在稳定表达 HA-KMT5c 蛋白的棕色脂肪细胞中纯化出 KMT5c 蛋白复合物，通过液相色谱与串联质谱联用检测，发现转录因子 YBX1。在棕色脂肪细胞中过表达 YBX1 可以抑制 Trp53 表达，同时敲低 Kmt5c 则可以部分恢复 Trp53 的 mRNA 水平。

图片来源：PNAS

研究意义：

棕色和米色脂肪细胞具有适应环境温度或营养变化的产热能力，组蛋白甲基化是参与脂肪细胞非颤抖产热调节的必需表观遗传修饰。该项工作首次揭示了由 KMT5c 引导的分子网络可以调控脂肪组织中产热基因的表达，使激活甲基转移酶活性作为治疗肥胖的潜在药物靶点成为可能。

图片来源：PNAS

讨论：

缺乏 Kmt5b 和 Kmt5c 的小鼠表现出棕色脂肪组织中线粒体呼吸增强，白色脂肪棕色化能力增强并抵抗肥胖^（4）。Myf5-Cre 缺失 Kmt5b 可能会同时影响脂肪细胞和骨骼肌功能^（5）。相比之下，该项研究使用 Adipoq-Cre 敲除 Kmt5c，主要研究 Kmt5c 在成熟棕色和白色脂肪细胞中的功能。

敲除小鼠与各自利弊 ——

1、全身敲除小鼠：可以直观的表征目的基因在小鼠生命过程中的功能，但是不能锁定特定组织中功能。

2、组织特异性敲除小鼠：

①Myf5-Cre 敲除小鼠：通常用于研究棕色脂肪组织的发育和成肌过程。

②Adipoq-Cre 敲除小鼠：主要用于成熟的棕色和白色脂肪细胞特异性敲除。

③Albumin-Cre 敲除小鼠：用于肝细胞特异性敲除。

组织特异性敲除小鼠通常以组织特异表达的基因为靶标进行定向敲除，但是不同特异表达的基因也可能参与不同代谢过程，也需要划在实验结果异常分析之列。