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浙大单体中教授团队揭示CRTC3调节猪脂肪细胞脂代谢和成脂分化的通路机制

浙大单体中教授团队揭示CRTC3调节猪脂肪细胞脂代谢和成脂分化的通路机制

脂肪积累,尤其是肌内脂肪积累,与肉质直接相关,如胴体瘦肉率、嫩度和风味。过多的脂肪积累还会导致肥胖,增加患多种代谢性疾病的风险,包括II型糖尿病、心血管疾病等。因此,近年来如何调节脂质积累和代谢受到越来越多的关注。

近期,浙江大学单体中教授组在《J. Agric. Food Chem》上发表一篇题为“CRTC3 Regulates the Lipid Metabolism and Adipogenic Differentiation of Porcine Intramuscular and Subcutaneous Adipocytes by Activating the Calcium Pathway”的研究,为CRTC3基因在猪脂肪细胞中的调控作用提供了新的见解,提示CRTC3可能是调控动物脂肪沉积的一个重要靶点。

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研究背景


根据脂肪组织的位置,可分为皮下(SC)脂肪、肌内(IM)脂肪和内脏脂肪。SC脂肪和IM脂肪都是由大量的脂肪细胞组成,这些脂肪细胞线粒体很少,可以储存能量。然而,SC脂肪细胞和IM脂肪细胞在许多方面也有不同的特点。该团队已经通过先前研究发现CRTC3过表达改变了SC脂肪细胞的代谢物组成以及基因的表达,因此本研究旨在探究CRTC3在猪IM脂肪细胞中的代谢及其转录调控作用,以及CRTC3对猪脂肪细胞的调控机制。

研究思路


首先,从三日龄的猪中分离出肌内(IM)和皮下(SC)脂肪细胞,利用腺病毒对CRTC3基因进行过表达和干扰。应用非靶向代谢组学分析脂肪细胞中代谢物的变化,通过质谱等方法鉴定出显著改变的代谢物,对其中变化更显著的脂质代谢物的亚类进行分析。利用RNA seq阐明IM脂肪细胞的转录变化并绘制与代谢相关的路径图,确定差异表达基因(DEG),揭示CRTC3参与脂质代谢和成脂分化的调控途径。

维真生物腺病毒为本研究助力!


基因 病毒产品 病毒添加量
环状AMP-响应蛋白CRTC3
(CREB-调控的转录共激发因子-3)

pAdM-FH-GFP
pAdM-FH-GFP-CRTC3
pAdM-FH-GFP-sh-CRTC3
 
0.25μL/mL

图a.CRTC3在猪IM脂肪细胞中过表达

图b.在IM和SC脂肪细胞中对CRTC3进行干扰

部分研究结果


1. 过表达CRTC3促进了猪IM脂肪细胞中脂质积累,并改变了总代谢物

为确定CRTC3对IM脂肪细胞代谢的影响,研究者分别利用CRTC3过表达(pAdM-FH-GFP-CRTC3,简称OE-CRTC3)和干扰的腺病毒(pAdM-FH-GFP-sh-CRTC3,简称sh-CRTC3)对脂肪细胞进行感染,通过非靶向代谢组学分析确定CRTC3过表达的IM脂肪细胞中代谢物的变化,发现CRTC3过表达细胞中代谢产物的含量发生了很大变化,以脂类代谢物变化尤为明显。通过比较过表达CRTC3的IM和SC脂肪细胞中共同代谢物,发现很大一部分是参与糖蛋白(GP)代谢的脂质代谢产物,这表明CRTC3过表达改变了猪脂肪细胞的脂质代谢。

图1.CRTC3过表达改变猪脂肪细胞代谢

2. CRTC3过表达改变了IM脂肪细胞代谢途径相关基因的表达,尤其是糖蛋白代谢

为探索CRTC3过表达后发生改变的基因,研究者应用RNAseq来阐明IM脂肪细胞的转录变化并绘制与代谢相关的路径图,以确定DEG。发现CRTC3过表达改变了糖蛋白的代谢,不仅表现在显著改变了糖蛋白生物合成相关基因的表达,如甘油-3磷酸酰基转移酶(GPAT)、脂素基因(LPIN)等,还改变了糖蛋白代谢相关基因的表达,如溶血卵磷脂酰基转移酶3(LPCAT3)、跨膜O-酰基转移酶超家族(MBOATs)等。

图2.CRTC3调控GP代谢相关途径

3. CRTC3过表达的IM和SC脂肪细胞中的DEG比较

接着,研究者比较了CRTC3过表达的IM和SC脂肪细胞中的DEG,发现CRTC3过表达显著上调了Ca2+/cAMP信号通路相关的DEG,且KEGG分析表明在SC和IM脂肪细胞中过表达CRTC3时,钙信号通路起了重要作用。

图3.CRTC3过表达的IM和SC脂肪细胞调控途径分析

4. CRTC3通过钙信号通路促进成脂分化

研究者构建了一个钙代谢网络,以确定DEG如何介导CRTC3的调节作用。结果发现CRTC3的过表达上调了PKG和PKC的表达水平,而二者的高表达会导致H2O2和胰岛素分泌增加,并伴随着更高的Ca2+水平。而且在IM和SC脂肪细胞中,CRTC3过表达显著上调了钙调蛋白依赖蛋白激酶CAMK1和CAMK4的表达水平,导致细胞内钙的显著增加等。接着,研究者使用不同剂量的CaCl2处理IM和SC脂肪细胞,发现CaCl2处理导致脂肪细胞内钙和脂肪沉积相关基因的表达升高,且未改变脂肪细胞的形态。这些结果表明,CRTC3过表达通过钙信号通路增加IM和SC脂肪细胞内钙离子水平,刺激其成脂分化。

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为证实上述观点,研究者在脂肪细胞中对CRTC3基因表达进行了干扰。与预期一致,低表达CRTC3不影响IM或SC脂肪细胞的形态,但抑制细胞内钙含量,且脂质积累和甘油三酯含量显著降低。接着,研究者利用CaCl2进行补救,发现CaCl2处理后,低表达CRTC3基因的脂肪细胞内钙离子、CAMK1和CAMK4以及脂肪沉积相关基因的显著升高,这些结果进一步证明CRTC3可能通过钙信号通路影响IM和SC脂肪细胞的成脂分化。

图5.CRTC3低表达抑制成脂分化并可通过补充CaCl2来挽救

结论及意义


CRTC3过表达能促进猪脂肪细胞中的脂质积累,并可以通过上调Ca2+-cAMP信号通路促进成脂分化,该研究为揭示CRTC3在调节猪脂肪代谢中的作用提供了独到见解,并为调节脂肪沉积和改善动物肉质提供新的思路。

原文链接: https://doi.org/10.1021/acs.jafc.1c02021

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