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Nat Commun︱肥胖和糖尿病愈療的潛在靶標:下丘腦中CerS6依賴的神經酰胺合成機制

下丘腦神經酰胺的失調與控制能量和葡萄糖穩態的神經元通路的破壞有關。然而,促進肥胖癥神經元脂毒性的特定神經酰胺種類仍然不清楚。

基于此,20231129日德國馬克斯·普朗克代謝研究所Jens C. Brüning研究團隊在Nature communications雜志發表了“CerS6-dependent ceramide synthesis in hypothalamic neurons promotes ER/mitochondrial stress and impairs glucose homeostasis in obese mice”揭示了肥胖小鼠下丘腦神經元中CerS6依賴的神經酰胺合成促進內質網/線粒體應激,損害葡萄糖穩態。


在這里,作者發現在體外暴露于棕櫚酸鹽的培養下丘腦神經元和肥胖小鼠的下丘腦中,產生C160的神經酰胺合酶6CerS6的表達增加。下丘腦神經元中CerS6的有條件缺失可以減弱高脂飲食HFD依賴性的體重增加,并改善葡萄糖代謝。具體來說,表達類固醇生成因子1SF-1的神經元中CerS6的缺失改變了進食行為,并減輕了HFD喂養對胰島素敏感性和葡萄糖耐量的負面代謝影響。表達前腦啡黑細胞促素皮促素(POMC)細胞選擇性缺失CerS6可以防止飲食誘導的線粒體形態的改變,并提高細胞對瘦素的敏感性。該研究揭示了CerS6衍生的神經酰胺在下丘腦脂肪毒性、線粒體動力學改變和內質網/線粒體應激在肥胖患者食物攝入和糖代謝失調中的作用。



神經酰胺已經成為葡萄糖和能量穩態的調節因子,為了研究肥胖患者的下丘腦中是否有特定的神經酰胺物種被解除調控,作者通過實時定量PCR分析來自肥胖和糖尿病動物模型的下丘腦提取物,評估了不同CerSsmRNA表達。此外,分析了C57BL/6 N小鼠,這些小鼠已通過HFD喂養16周誘導肥胖和胰島素抵抗,或接受低脂對照飲食。飲食誘導的肥胖小鼠中CerS6轉錄水平的升高轉化為下丘腦CerS6蛋白表達的升高。與對照組相比,HFD喂養小鼠下丘腦中C160神經酰胺和其他神經酰胺、鞘磷脂和己基神經酰胺的含量增加。在兩種關鍵的神經酰胺物種中,下丘腦中的C160水平與動物的體重呈正相關??紤]到下丘腦的細胞異質性,分析了不同下丘腦細胞及其神經酰胺產物在不同下丘腦細胞類型中的表達。從常規食物喂養的成年小鼠的下丘腦分離細胞和分離的神經元和非神經元細胞部分,然后對這兩個部分進行神經酰胺定量。為了進一步揭示小鼠下丘腦中個體CerS基因的細胞類型特異性表達譜,測定了CerS1-6的轉錄水平。

CerS1CerS3在所有下丘腦細胞簇中的表達水平相對較低。CerS2、CerS4CerS5在幾種不同的細胞類型中均可檢測到表達,其中CerS2是在少突膠質細胞中富集,CerS6轉錄本主要出現在神經元簇中。這些觀察結果表明,與其他細胞類型相比,HFD喂養小鼠下丘腦中C16:0神經酰胺水平和CerS6表達的增加主要是由于神經元的調節,表明CerS6衍生的C16:0神經酰胺在肥胖下丘腦神經元中的關鍵作用。



作者試圖研究CerS6依賴的神經酰胺形成在下丘腦神經元在這些過程中的具體作用。為此,使用了胚胎小鼠-N43/5細胞系,該細胞系被廣泛用作模擬下丘腦神經元生理學的體外系統。通過棕櫚酸鹽孵育使這些細胞的脂肪酸過量,反映了肥胖和代謝綜合征中下丘腦神經元暴露的環境條件。CerS mRNA表達的測定顯示,N43/5細胞中棕櫚酸處理后CerS6轉錄本特異性增加,其他CerS mRNA仍未受影響,特別是CerS5。與CerS6表達升高相一致,棕櫚酸鹽暴露后C160神經酰胺水平升高。在N43/5細胞中,敲除CerS6減弱了編碼xbox結合蛋白1mRNA剪接的棕櫚酸鹽依賴性增加。剪接Xbp1編碼一種轉錄因子,促進內質網未折疊蛋白反應相關蛋白的表達,并已被證明將下丘腦神經元的內質網應激與能量平衡和葡萄糖穩態聯系起來。與Xbp1剪接減少一致,CerS6的缺失減弱了棕櫚酸誘導的內質網應激標記基因Ddit3轉錄本的上調。棕櫚酸鹽誘導N43/5細胞的ER/線粒體應激,而且導致平均線粒體縱橫比顯著下降,表明線粒體網絡更加分散。以上結果表明,棕櫚酸刺激CerS6依賴性C16:0神經酰胺合成,從而促進下丘腦神經元中的ER/線粒體應激和線粒體斷裂,同時降低線粒體生物能活性;這可能導致體內下丘腦神經元響應脂肪酸過量而發生內質網/線粒體可塑性和功能的改變,從而導致肥胖癥的負面代謝后果。


CerS6ΔNkx2.1小鼠的大腦、肝臟和性腺白色脂肪組織中,CerS6的轉錄水平保持相似。同時,CerS1CerS5在下丘腦中的表達保持不變,表明CerS6ΔNkx2.1小鼠的下丘腦CerS6的表達成功且有特異性的修飾。與對照組相比,隨著mRNA表達量的降低,CerS6ΔNkx2.1小鼠的下丘腦中CerS6蛋白水平明顯降低。為了研究飲食誘導肥胖發展過程中的代謝特征,CerS6ΔNkx2.1小鼠及其對照組小鼠在3周齡時開始接受HFD喂養,然后分析體重增加、肥胖、能量平衡和葡萄糖代謝。CerS6的缺失減弱了暴露于HFD的小鼠的體重增加,與對照組相比,HFD喂養的CerS6ΔNkx2.1小鼠的肥胖減少,CerS6ΔNkx2.1小鼠的肥胖減少可能是由于能量消耗的增加。此外,在葡萄糖耐量試驗中,特別是CerS6ΔNkx2.1小鼠在夜間禁食后,表現出更好的胰島素敏感性和降低血糖水平的能力改善。這些代謝增強只能限于喂食HFD的小鼠,而正常飼料喂養的CerS6ΔNkx2.1小鼠沒有顯示出胰島素敏感性的變化,只有糖耐量改善的趨勢。這些數據表明,基因抑制小鼠下丘腦神經元中CerS6依賴的神經酰胺合成,可以減輕飲食誘導的肥胖和與肥胖相關的葡萄糖代謝損傷。



下丘腦神經元中CerS6的缺失減輕了飲食誘導的肥胖和葡萄糖處理缺陷。作者接下來進一步確定CerS6來源的神經酰胺影響代謝控制的特定下丘腦神經元群體??紤]到VMH在這一過程中的關鍵作用,以及CerS6VMH神經元中的表達,研究依賴于CerS6C160神經酰胺合成是否會在VMH的代謝相關神經元中發揮作用。對缺失CerS6動物及其對照組進行了HFD喂養,沒有觀察到CerS6ΔSF-1雄性小鼠和對照組之間的體重增加和肥胖的顯著差異。與對照組相比,CerS6ΔSF-1雌性小鼠的肥胖發展減弱。由于下丘腦中神經酰胺的積累與VMH中的內質網應激有關,導致BAT生熱和能量消耗減少,作者進行了間接量熱法測量來評估CerS6ΔSF-1的代謝率小鼠喂食HFD的雌性和雄性CerS6ΔSF-1小鼠在環境溫度下表現出適度的能量消耗增加趨勢。在暴露于6°C的溫度下,與對照組相比,雄性CerS6ΔSF-1小鼠的能量消耗明顯增加。CerS6ΔSF-1雄性的食物攝入量減少,而雌性的食物攝入量沒有減少。雖然SF-1神經元中CerS6缺乏的雌性小鼠表現出肥胖的減少,但它們并沒有顯示出葡萄糖代謝的顯著改善。相比之下,雄性CerS6ΔSF-1小鼠的胰島素敏感性和葡萄糖耐量顯著增強。作者測量了HFD喂養的雄性和雌性小鼠的血清皮質酮水平,在CerS6ΔSF-1動物中沒有改變??偟膩碚f,VMH中表達SF-1的神經元中CerS6依賴的神經酰胺合成控制著葡萄糖代謝。

綜上,該研究強調了?;滈L度神經酰胺特異性調節下丘腦神經元代謝穩態的關鍵作用,CerS6在這一過程中發揮了關鍵作用,這表明它參與了營養轉換過程中的食欲和代謝率控制。過量使用HFD會提高下丘腦中的CerS6C160神經酰胺的含量,導致全身葡萄糖代謝和能量平衡受損。靶向下丘腦中CerS6依賴的神經酰胺合成為肥胖和糖尿病愈療提供了希望。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42595-7



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