2021年9月23日，來自北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院分子醫(yī)學(xué)研究所、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的邱義福團隊在Nature Immunology上發(fā)表題為“Macrophage IRX3 promotes diet-induced obesity and metabolic inflammation”的研究論文，首次報道脂肪組織巨噬細胞中的IRX3對于調(diào)節(jié)肥胖及代謝炎癥的重要作用，并且闡明IRX3作為轉(zhuǎn)錄因子促進炎癥基因表達的具體分子機制。

北京大學(xué)邱義福團隊發(fā)現(xiàn)IRX3蛋白調(diào)控肥胖的新機制-肽度TIMEDOO

論文截圖

肥胖不但引發(fā)糖尿病、非酒精性脂肪肝、動脈粥樣硬化等一系列代謝疾病，還會加速癌癥、新冠肺炎等多種疾病的發(fā)生發(fā)展，肥胖的流行已經(jīng)成為全球醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)的重大負擔(dān)。對大規(guī)模人群進行全基因組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TO基因第一個內(nèi)含子區(qū)的SNP與肥胖的發(fā)生具有非常緊密的聯(lián)系，是人類多基因肥胖最強有力的遺傳決定因子1, 2, 3。FTO基因的內(nèi)含子區(qū)與IRX3基因的啟動子區(qū)可以在染色體上直接相互作用，從而調(diào)節(jié)IRX3的表達4, 5。并且Irx3全身敲除的小鼠能夠抵抗肥胖。據(jù)此推論，F(xiàn)TO內(nèi)含子區(qū)的突變通過調(diào)控IRX3基因的表達來控制體重。但對于IRX3具體在何種組織發(fā)揮作用尚有不同觀點4, 5, 6，發(fā)揮作用的具體分子機制仍有待闡明。

為了探究IRX3在巨噬細胞中的功能，作者構(gòu)建了髓系特異性Irx3基因敲除小鼠（Irx3fl/flLyz2Cre），發(fā)現(xiàn)普通飲食和高脂飲食的條件下，敲除小鼠的體重都明顯低于對照小鼠（Irx3fl/fl），且主要源于脂肪及肝臟組織重量的減輕。進一步發(fā)現(xiàn)，該敲除小鼠氧氣消耗能力明顯增強，其褐色脂肪及皮下脂肪中的產(chǎn)熱及脂解基因的表達也顯著高于對照小鼠。這些結(jié)果說明髓系特異性Irx3基因敲除小鼠的脂肪組織產(chǎn)熱能力更強，有利于消耗能量、減少脂肪累積，進而降低體重。

那么，髓系特異性敲除Irx3怎樣影響脂肪細胞的功能呢？作者用體外培養(yǎng)的巨噬細胞上清處理脂肪細胞后發(fā)現(xiàn)，對照小鼠巨噬細胞的上清能夠明顯抑制脂肪細胞的產(chǎn)熱及脂解過程，而敲除Irx3的巨噬細胞上清則基本解除了這一抑制作用，說明巨噬細胞中的IRX3通過釋放某些因子作用于脂肪細胞。通過高通量測序分析、體外敲除及過表達實驗驗證，作者發(fā)現(xiàn)IRX3能夠促進小鼠巨噬細胞和人源巨噬細胞中炎癥因子Il6，Il1a，Il1b等的轉(zhuǎn)錄，這些炎癥因子的增加可以抑制脂肪細胞的產(chǎn)熱及脂解功能。

IRX3又是如何調(diào)節(jié)巨噬細胞中炎癥因子的表達呢？作者發(fā)現(xiàn)LPS的刺激能夠顯著增強巨噬細胞中IRX3的蛋白量，主要是因為IRX3蛋白的泛素化降解受到抑制，并鑒定出IRX3蛋白的泛素化位點K409。LPS除了能增加IRX3蛋白量，還能增強IRX3的磷酸化水平。通過表達不同激酶進行篩選，作者鑒定到激酶JNK1/2能夠直接磷酸化IRX3，是IRX3磷酸化的關(guān)鍵激酶，并通過質(zhì)譜鑒定出IRX3的兩個重要磷酸化位點：S361和S389。磷酸化位點突變實驗證實：這兩個磷酸化位點在IRX3蛋白形成二聚體并入核行使功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過啟動子結(jié)合位點預(yù)測及雙熒光素酶報告實驗驗證，作者發(fā)現(xiàn)IRX3蛋白能夠直接結(jié)合到Il1a，Il1b及Il6的啟動子區(qū)，促進這些基因的轉(zhuǎn)錄表達。

由于巨噬細胞和炎癥因子在肥胖及相關(guān)代謝疾病中發(fā)揮重要作用，因此作者進一步探究，巨噬細胞中敲除Irx3能否緩解肥胖引起的代謝疾病。通過高脂飲食誘導(dǎo)肥胖后，對照小鼠表現(xiàn)出葡萄糖不耐受及胰島素抵抗，而髓系特異性Irx3基因敲除小鼠的這些癥狀得到明顯改善，說明它們具有更好的血糖清除及胰島素響應(yīng)能力。除了有助于控制血糖，敲除小鼠肝臟的脂質(zhì)積累及血酯的含量也明顯低于對照，表明它們能夠緩解肥胖誘發(fā)的肝臟代謝紊亂，減緩脂肪肝的發(fā)生。

綜上，該研究主要發(fā)現(xiàn)巨噬細胞中的IRX3作為轉(zhuǎn)錄因子，通過TLR4-JNK1/2-IRX3信號通路直接促進炎癥基因的表達，從而抑制脂肪組織的產(chǎn)熱功能，導(dǎo)致肥胖及相關(guān)代謝炎癥疾病的發(fā)生。同時，該研究還首次鑒定到LPS調(diào)控的IRX3蛋白泛素化位點及磷酸化位點，為深入了解IRX3的蛋白功能及肥胖相關(guān)疾病的防治提供了新的線索。Nature Immunology同期刊發(fā)news&views予以解讀7。

北京大學(xué)邱義福團隊發(fā)現(xiàn)IRX3蛋白調(diào)控肥胖的新機制-肽度TIMEDOO

同期news&views

北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院分子醫(yī)學(xué)研究所2016級博士生姚靜斐為文章第一作者，邱義福研究員為通訊作者。邱義福實驗室吳冬梅博士、張春艷及北京生命科學(xué)研究所羅敏敏實驗室博士生嚴婷也對本研究作出了重要貢獻。加拿大多倫多大學(xué)的Chi-Chung Hui教授和清華大學(xué)的董忠軍教授為本研究提供了重要的實驗材料。該研究得到北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所病理中心、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院儀器中心流式平臺、清華大學(xué)蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心的大力支持。此外，該研究還得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的支持。

參考文獻：

1.Dina, C. et al. Variation in FTO contributes to childhood obesity and severe adult obesity. Nat Genet39,724-726 (2007).

2.Frayling, T.M. et al. A common variant in the FTO gene is associated with body mass index and predisposes to childhood and adult obesity. Science316,889-894 (2007).

3.Scuteri, A. et al. Genome-wide association scan shows genetic variants in the FTO gene are associated with obesity-related traits. PLoS Genet3,e115 (2007).

4.Smemo, S. et al. Obesity-associated variants within FTO form long-range functional connections with IRX3. Nature507,371-375 (2014).

5.Claussnitzer, M. et al. FTO Obesity Variant Circuitry and Adipocyte Browning in Humans. N Engl J Med373,895-907 (2015).

6.Sobreira, D.R. et al. Extensive pleiotropism and allelic heterogeneity mediate metabolic effects of IRX3 and IRX5. Science372,1085-1091 (2021).

7.https://www.nature.com/articles/s41590-021-01032-x