Cell Metabolism：脂肪因子IL-11/IL-11Ra通过调控鞘脂代谢限制米色脂肪细胞的产热能力 | Cell Press论文速递

研究人员首先通过生物信息学分析发现，在佛司可林刺激的米色脂肪细胞中，“细胞因子-细胞因子受体相互作用”是上调最显著的通路。进一步筛选显示，除已知的IL-6和LIF外，IL-11是上调幅度最大的细胞因子。体内实验证实，给小鼠注射β肾上腺素能受体激动剂CL-316243后，其腹股沟白色脂肪组织中Ucp1阳性细胞周围的IL-11蛋白水平显著升高。在基础状态下，脂肪组织基质血管部分细胞表达的IL-11水平高于成熟脂肪细胞；而注射CL-316243后，只有成熟脂肪细胞中的IL-11水平大幅上升。体外分化实验同样表明，分化后的米色脂肪细胞对佛司可林的响应远强于未分化的基质血管部分细胞，且该诱导作用依赖于cAMP/PKA信号通路，使用PKA抑制剂H89可阻断IL-11的表达上调。与棕色或白色脂肪细胞相比，米色脂肪细胞中IL-11的诱导幅度最为显著，这一现象在分化的原代人皮下脂肪细胞中也得到验证。以上结果说明，米色脂肪细胞是产热刺激下IL-11的一个重要来源。

研究人员随后分析了IL-11信号与脂肪产热能力之间的关联。不同组织中的表达检测显示，IL-11及其受体IL-11Ra均在腹股沟白色脂肪组织中高度富集，且IL-11Ra在白色脂肪组织中的蛋白水平高于棕色脂肪组织。免疫组化染色呈现相反的表达模式：高表达Ucp1的棕色脂肪细胞周围IL-11Ra水平很低，而低表达Ucp1的白色脂肪细胞周围IL-11Ra水平较高。在佛司可林刺激下，米色脂肪细胞中的IL-11Ra表达下调，提示IL-11Ra与脂肪细胞的产热能力呈负相关。公共单细胞数据库分析表明，IL-11Ra主要富集于人间充质干细胞和前脂肪细胞，而非免疫细胞，并且在前脂肪细胞分化为成熟脂肪细胞的过程中，其表达水平进一步升高。此外，高脂饮食诱导的肥胖小鼠中，多个脂肪组织的IL-11及IL-11Ra水平均显著上升。对人类样本数据库的分析也显示，IL-11及其受体的表达水平与腰臀比、空腹血糖、胰岛素、甘油三酯等代谢指标呈正相关，而与高密度脂蛋白水平呈负相关。以上发现提示，IL-11/IL-11Ra信号轴可能在脂肪细胞功能和全身代谢调控中发挥重要作用。

为了验证IL-11信号对脂肪细胞功能的影响，研究人员对米色脂肪细胞进行外源性IL-11处理。结果显示，IL-11虽不影响脂肪细胞分化效率（油红O染色和甘油三酯含量均无显著变化），但显著抑制Ucp1和Pgc1α等产热基因的mRNA及蛋白水平。福斯高林诱导的产热基因上调、脂肪分解增强和线粒体呼吸升高均被IL-11处理所削弱。预先使用IL-11Ra中和抗体处理，可完全阻断IL-11对细胞耗氧率的抑制作用。在IL-11Ra全身敲除小鼠中，分离的前脂肪细胞即使分化为米色脂肪细胞，也不再对IL-11处理产生响应，由此证实IL-11Ra是介导该效应的关键受体。

基于上述体外发现，研究人员构建了脂肪细胞特异性IL-11Ra敲除小鼠模型。在室温条件下，敲除小鼠与对照小鼠的体重、脂肪组织重量及产热基因表达均无显著差异。但冷刺激下，敲除小鼠表现出更强的冷耐受能力，核心体温和体表温度均高于对照小鼠，其腹股沟和附睾白色脂肪组织中的产热基因表达显著上调，脂肪细胞体积明显减小。两组小鼠的棕色脂肪组织在产热基因和细胞大小方面并无差异，提示IL-11/IL-11Ra信号主要作用于白色脂肪组织，调控其对能量需求的适应性产热反应。在CL-316243刺激下，敲除小鼠的白色脂肪组织呈现更显著的产热特征，全身耗氧量增加，脂肪细胞中脂滴变小，Ucp1阳性细胞比例升高。在高脂饮食喂养的肥胖模型中，脂肪细胞特异性IL-11Ra敲除小鼠表现出明确的抗肥胖表型，包括体重增长减少，各脂肪垫和肝脏重量减轻，以及脂肪细胞和肝细胞中的脂质积累降低。同时，这些小鼠的全身耗氧量、二氧化碳产生量和产热量均显著增加，葡萄糖耐受性、胰岛素敏感性和血脂谱也得到明显改善。值得注意的是，经典抗炎脂肪因子脂联素的水平在敲除小鼠中并无显著变化，说明该保护作用主要源于产热功能的增强，而非脂联素途径的改变。

为了深入解析IL-11/IL-11Ra调控产热的分子机制，研究人员对敲除小鼠和对照小鼠的腹股沟白色脂肪组织进行了脂质组学分析。结果显示，敲除小鼠中鞘脂类代谢物是上调最显著的脂质类别。将差异表达基因与鞘脂代谢相关基因比对后，编码鞘氨醇激酶1的Sphk1基因被识别出来。鞘氨醇激酶1是催化生成鞘氨醇-1-磷酸的关键酶。进一步验证表明，IL-11Ra敲除小鼠的腹股沟白色脂肪组织中鞘氨醇-1-磷酸水平升高，鞘氨醇激酶1的蛋白表达也相应增加。在细胞层面，IL-11处理能够降低米色脂肪细胞（而非棕色或白色脂肪细胞）中鞘氨醇激酶1的表达，而对鞘氨醇激酶2无影响。外源性添加鞘氨醇-1-磷酸或过表达鞘氨醇激酶1均可上调Ucp1表达。更为关键的是，IL-11Ra中和抗体处理所诱导的Ucp1和鞘氨醇激酶1上调，在敲低鞘氨醇激酶1后完全消失。在信号转导方面，研究发现IL-11处理能够快速激活STAT3和ERK1/2信号通路，而在IL-11Ra敲除的脂肪细胞和组织中，这些信号的磷酸化水平降低。通过使用特异性抑制剂和基因敲低技术，研究人员证实介导IL-11对鞘氨醇激酶1抑制作用的是STAT3信号通路，而非ERK信号通路。Cut&Tag和荧光素酶报告基因实验共同证明，活化的STAT3可直接结合Sphk1基因的启动子区域，抑制其转录活性。

为了验证鞘氨醇激酶1在IL-11Ra敲除所致代谢获益中的必要性，研究人员分别使用药理学抑制剂PF543和腺相关病毒介导的基因敲低技术，在体内抑制Sphk1的表达或活性。结果显示，无论抑制鞘氨醇激酶1的酶活性还是直接降低其表达，均会削弱冷刺激下IL-11Ra敲除小鼠的冷耐受能力和产热基因表达，增大脂肪细胞体积，同时逆转高脂饮食喂养下敲除小鼠在体重、胰岛素敏感性和血脂方面取得的改善。以上结果表明，鞘氨醇激酶1与鞘氨醇-1-磷酸信号轴是IL-11/IL-11Ra下游的关键效应分子。

接下来，研究人员探索了鞘氨醇-1-磷酸增强米色脂肪细胞功能的具体机制。通过分析鞘氨醇-1-磷酸的五个G蛋白偶联受体在脂肪组织中的表达谱，发现S1pr1是最主要的受体亚型。该受体在IL-11Ra敲除小鼠中表达上调，而在IL-11处理的米色脂肪细胞中表达下调。外源性鞘氨醇-1-磷酸处理可提高米色脂肪细胞的耗氧率，这一效应在敲低S1pr1或使用其拮抗剂W146预处理后被完全阻断。进一步的信号通路分析表明，鞘氨醇-1-磷酸与S1pr1介导的信号与钙离子通路密切相关。实验结果显示，IL-11Ra敲除小鼠的脂肪组织中线粒体钙水平升高。在细胞层面，抑制鞘氨醇激酶1会降低线粒体钙浓度；而补充鞘氨醇-1-磷酸则可升高细胞内和线粒体中的钙浓度，同时降低内质网中的钙浓度，这些效应均可被S1pr1拮抗剂W146所阻断。从机制上看，鞘氨醇-1-磷酸与S1pr1信号通过增加IP3的产生，进而激活内质网上的IP3受体，促进钙离子从内质网向线粒体释放。使用IP3受体抑制剂2APB可完全阻断鞘氨醇-1-磷酸诱导的钙流及线粒体钙升高。

最后，基于上述机制研究，研究人员尝试开发了一种靶向IL-11Ra的阻断肽。在短期高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型中，向腹股沟白色脂肪组织局部注射该阻断肽后，小鼠体重增长显著受抑，各脂肪垫和肝脏重量减轻，组织脂质积累减少。此外，肽处理还改善了小鼠的葡萄糖耐量和胰岛素敏感性，降低了血清甘油三酯、总胆固醇和低密度脂蛋白水平，并上调了腹股沟白色脂肪组织中产热基因的表达。这些结果提示，靶向阻断IL-11/IL-11Ra信号的肽类药物具有抗肥胖的治疗潜力。

综上所述，本研究系统揭示了米色脂肪细胞来源的IL-11作为一种负反馈调节脂肪因子，通过IL-11Ra-STAT3信号轴抑制Sphk1的转录，减少鞘氨醇-1-磷酸的生成，进而限制S1pr1介导的内质网向线粒体的钙离子转运以及线粒体功能的增强。

该研究首次将IL-11信号、鞘脂代谢与米色脂肪细胞的产热功能联系起来，不仅阐明了机体在应对能量过剩时防止产热过度的调节机制，也为开发靶向IL-11/IL-11Ra信号通路的抗肥胖药物提供了理论依据和新的干预策略。

相关论文刊载于Cell Press细胞出版社

旗下期刊Cell Metabolism，