冷刺激诱导白色脂肪米色样变介导的缺氧诱导因子HIF1a靶向上调TfRc增加脂肪铁吸收的分子机制研究

Obesity is the dysregulation of energy metabolism，leading to the accumulation of fat，causing multiple types of metabolic diseases. Burning fat is a key approach to fight obesity and obesity-related metabolic diseases. Studies have demonstrated that beige adipocyte is a type thermogenic adipocyte, which has a large mitochondrial content, expresses uncoupling protein (Ucp1), and is potential to boost the systemic glucose, lipid, and energy metabolism. The preliminary data have shown that in the nucleus of the beige adipocyte, HIF1a protein was detected. We also observed the transferrin receptor (TfRc) protein accumulation on beige adipocyte membrane, followed with the iron accumulation. Furthermore, adipocyte-specific knockout of TfRc ablates the cold treatment-induced beige adipocyte transformation. Based on the evidence, we hypothesized that during beige adipocyte transformation, HIF1a upregulate TfRc expression to promote iron absorption in the beige adipocyte. In the current investigation, we sought to combine the adipocyte-specific HIF1a knockout mice, HIF1a chromatin immunoprecipitation and high throughput sequencing (ChIPSeq), membrane protein isolation, iron-protein interaction and precipitation and high-resolution proteomics (iTRAQ) to underpin the molecular mechanism of HIF1a-TfRc-iron pathway in beige adipocyte transformation and thermogenic function. Successfully completing the proposed study would enrich our knowledge of regulatory mechanisms regarding the beige adipocyte thermogenic function and provide alternative approaches and therapeutic strategies for metabolic diseases.

能量代谢失衡导致体内脂肪过度蓄积而诱发肥胖和多种代谢疾病。诱导脂肪燃烧对防治肥胖等代谢疾病有重要意义。研究发现米色脂肪含有大量线粒体、表达解偶练蛋白1、具有增强系统糖脂代谢和提高机体产热的功能。前期研究发现，在米色脂肪细胞核中检测到缺氧诱导因子HIF1a蛋白的表达、转铁蛋白受体在细胞膜表面富集和脂肪细胞铁离子吸收的增加，且脂肪特异性转铁蛋白受体敲除阻断冷刺激诱导的米色样变。基于以上预实验结果，我们提出在米色样变过程，HIF1a通过上调TfRc增加脂肪铁离子吸收维持米色脂肪功能的科学假设。本项目将结合脂肪特异性HIF1a敲除的小鼠、HIF1a染色质免疫沉降和高通量测序（ChIPSeq）、膜蛋白提取、铁离子-蛋白互作和免疫沉降以及高分辨蛋白质质谱（iTRAQ）揭示HIF1a-TfRc-铁离子通路维持米色脂肪功能的分子机制。解析米色脂肪转化的分子机理将为代谢疾病的治疗提供理论和实践基础。

能量代谢失衡导致体内脂肪过度蓄积而诱发肥胖和多种代谢疾病。诱导脂肪燃烧对防 治肥胖等代谢疾病有重要意义。研究发现米色脂肪含有大量线粒体、表达解偶练蛋白1、 具有增强系统糖脂代谢和提高机体产热的功能。本项目通过H3K9/14Ac ChIPseq 联合生物信息学分析发现，在皮下白色脂肪米色样变过程中，铁离子稳态平衡参与脂肪产热过程，尤其是膜表面转铁蛋白受体（Transferrin receptor， Tfrc或者Tfr1），通过转录组以及高分辨蛋白质质谱（iTRAQ）和western blot 进一步验证.因此，我们构建了脂肪特异性Tfr1敲除小鼠（Adp-Cre；Tfr1），与野生型小鼠相比，脂肪特异性Tfr1敲除的小鼠棕色脂肪和皮下脂肪发育收到抑制，且脂肪产热以及皮下脂肪米色样变受到抑制，主要通过铁离子介导的产热脂肪线粒体合成过程受到抑制。通过生物信息学分析发现，Tfr1-铁离子介导的生物学过程不仅抑制脂肪的发育和产热，同时导致棕色脂肪前体细胞向骨骼肌方向转分化。此外，在冷刺激诱导的皮下白色脂肪米色样变过程，缺氧诱导因子HIF1a而非HIF2a 参与上调Tfr1 表达，促进铁离子吸收；我们通过构建产热脂肪特异性HIF1a敲除小鼠（Ucp1-Cre；HIF1a）验证HIF1a 在皮下白色脂肪米色样变过程中的调控机理，同时借助HIF1a ChIP-qPCR进一步证实，HIF1a在冷刺激条件下，直接与Tfr1启动子上的结合位点结合，上调Tfr1表达。综上所述，本研究揭示了HIF1a-Tfr1-铁离子通路在脂肪米色样变和脂肪产热过程中的分子机制。同时，该研究发现，为预防和治疗代谢性综合征提供了营养学理论作证。

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