哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号途径在白色/棕色脂肪组织表型相互转换中的作用及机制

Obesity is the accumulation of body adipose tissue due to excess of energy. Brown adipose tissue, which could be induced from white adipose tissue, participates in energy expenditure and may be a new therapeutic target against obesity. Mammalian target of rapamycin (mTOR), an important protein kinase, can sense the alteration of extra- and intra -cellular energy levels so as to modulate energy metabolism. Our preliminary experiments showed that in adipose-specific activation of mTOR mice, the function of brown adipose tissue decreased and turned "white". Therefore, we hypothesized that exceeded energy intake lead to activation of mTOR, result in obesity through the "whitening"of brown adipose tissue; whereas inhibition of mTOR signaling pathway induce "browning" of adipose tissue, increase energy expenditure, so that prevent and relieve obesity. Therefore, in this project, targeting brown/white adipose tissue from the perspective of mTOR, combining culture cells and animal models, we will examine the effect of altered energy levels on brown/white adipose tissue trans-differention; investigate the phosphorylation of mTOR induced by the alteration in extracellular and intracellular energy status; examine the effect of mTOR on brown/white adipose tissue trans-differentiation by specific gene inactivation or over-expression techniques and explore the possible molecular mechanism. Results of this project will have important implications to promote browning of adipose tissue, increase energy expenditure and benefit to the prevention and treatment of obesity.

肥胖是机体能量过剩引起的脂肪组织堆积，棕色脂肪具有能量消耗功能，可与白色脂肪相互转化，可能是对抗肥胖的新治疗靶点。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)能感受细胞内外能量水平的变化从而调节能量代谢。申请者预实验发现，脂肪组织特异性激活mTOR可使棕色脂肪发生白色化，因此提出如下假说：在机体能量过剩的状态下，脂肪组织内mTOR被激活，促进棕色脂肪白色化，参与肥胖发生；抑制mTOR信号途径可促进白色脂肪棕色化，增加能量消耗，防治肥胖。为此，本项目拟以棕色/白色脂肪为靶点，从mTOR的角度，结合离体培养细胞及在体动物模型，模拟高能量或能量缺乏状态，探讨不同能量水平对棕色/白色脂肪表型转换的影响及对mTOR磷酸化水平的调控；采用基因特异失活或过表达技术，阐明mTOR对不同能量状态下棕色/白色脂肪相互转换的的影响及其分子机制。本研究成果将对明确如何促进脂肪组织棕色化，增加耗能从而防治肥胖具有重要的意义。

哺乳类动物存在两种类型的脂肪组织，白色脂肪组织 (WAT)以甘油三酯的形式存储能量，棕色脂肪组织 (BAT)以热能的形式消耗能量。哺乳类动物雷帕霉素靶蛋白 (mTOR)是一类高度保守的丝氨酸-苏氨酸激酶，通过感受细胞内外的能量状态来调节细胞和组织的生长、增殖及分化。在脂肪细胞，mTOR被认为可以调节蛋白合成、脂肪组织的形态发生。为了进一步研究TSC1/mTOR在脂肪组织中的作用，我们构建了FABP4启动子介导的脂肪组织特异性敲除TSC1的动物模型：Fabp4-Tsc1-/-小鼠，该动物表现为脂肪组织特异性mTOR激活。结果发现，Fabp4-Tsc1-/-小鼠BAT脂滴增加，体积增大，棕色脂肪细胞的markers降低，白色脂肪细胞的markers增加，说明存在棕色脂肪细胞向白色脂肪细胞的转换；给予mTOR的特异性抑制剂雷帕霉素后能够部分逆转棕色脂肪细胞向白色脂肪细胞的表型转换；促进棕色脂肪细胞发育的转录因子FoxC2在Fabp4-Tsc1-/-小鼠中减少，而促进白色脂肪细胞发育的转录因子Rb/p107和RIP140在Fabp4-Tsc1-/-小鼠中增加；相同的现象在体外分离并感染Cre腺病毒的TSC1loxp/loxp乳小鼠的原代棕色脂肪细胞中亦得到了证实。本研究结果说明，TSC1-mTOR信号通路介导了Fabp4-Tsc1-/-小鼠BAT中棕色脂肪细胞向白色脂肪细胞的表型转换，转录因子FoxC2、Rb/p107和RIP140在棕色脂肪细胞向白色脂肪细胞的表型转换中发挥重要作用。.在此基础上，我们进一步拓展了我们的研究。棕色脂肪组织含有大量线粒体，以热能形式消耗能量，我们进一步探讨了脂肪组织内的mTOR是否可以通过感受机体能量状态的变化，影响棕色脂肪细胞的线粒体功能。结果发现，激活mTOR信号通路，可使线粒体生物合成、动力学功能以及自噬标志物表达下调，抑制棕色脂肪细胞线粒体功能，棕色脂肪细胞呈现白色化趋势；而抑制mTOR信号通路，可使线粒体生物合成、动力学功能以及自噬标志物表达上调，增强棕色脂肪细胞线粒体功能，翻转棕色脂肪的白色化。因此，mTOR信号通路可通过影响棕色脂肪细胞线粒体功能，从而影响棕色脂肪和白色脂肪细胞间表型的转换。.本研究揭示了WAT与BAT表型转换的一个新的机制，将对明确如何促进脂肪组织棕色化，增加耗能从而防治肥胖具有重要的意义。