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Matthias Mann团队再一力作,Cell Metab 蛋白质组学研究揭示新型棕色脂肪因子

发布时间: 2019-12-05
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马克斯普朗克生物化学研究所所长Matthias Mann是蛋白质组学研究领域的一位著名科学家,他在蛋白质组学质谱技术研究方面获得了许多重要的突出成果,改进或者发展了各种新型的技术,曾在Nature MethodsCell等杂志上发表了一系列这一领域的研究成果。

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日前,国际知名期刊Cell Metabolism在线发表了Matthias Mann教授和丹麦哥本哈根大学Camilla Scheele的合作研究团队的最新研究成果,首次报道了针对棕色脂肪细胞的分泌蛋白质组学,并通过比较分析人类棕色和白色脂肪细胞分泌蛋白图谱,揭示了EPDR1是一种新型的棕色脂肪因子(Batokine)。

Matthias Mann团队再一力作,Cell Metab 蛋白质组学研究揭示新型棕色脂肪因子

肥胖是越来越被人们所关注的健康问题,预计到2040年,全球将会有5亿成年人受肥胖及其相关的慢性疾病(比如2型糖尿病)的影响。脂肪常被视为肥胖的“罪魁祸首”,过去很长一段时间内,控制能量摄入是预防和治疗肥胖的主要策略,但近期研究发现棕色脂肪组织具有促进能量消耗而改善肥胖的功能。

人体内脂肪细胞可分为白色脂肪细胞棕色脂肪细胞两大类,两类脂肪细胞在形态、功能和来源方面都有着很大的差异。白色脂肪的作用是将体内多余能量以脂肪的形式储存起来,形成通常人们所不愿看到的肥胖。而棕色脂肪在全身的能量代谢调控中起着重要的作用,它可以“燃烧”掉多余的能量从而减少体内以脂肪形式堆积的能量。成年人有棕色脂肪组织,如果将其活化,可能是高效的减肥法。

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研究针对两个问题展开了探索:

1、白色脂肪细胞和棕色脂肪细胞的异同

2、棕色脂肪如何调控代谢?

Matthias Mann团队再一力作,Cell Metab 蛋白质组学研究揭示新型棕色脂肪因子

Graphical Abstract

1 白色脂肪细胞和棕色脂肪细胞的异同

研究者利用从成年人身上分离培养的棕色脂肪细胞与白色脂肪细胞作为研究对象,两种脂肪细胞的增殖与分化均可通过主要的生物标志物如UCP1进行区分。研究者随后收集两种细胞样本的分泌蛋白(样品策略),并应用Label-free非标记定量蛋白质组学技术进行高分辨质谱检测(质谱策略)

本次实验总共鉴定到1866种蛋白,其中共有471种分泌蛋白,包括340种已知的分泌蛋白,以及131种非常规的分泌蛋白 (图1) 。在这些分泌蛋白中,大部分都能够在白色脂肪细胞以及棕色脂肪细胞的细胞培养上清中找到,但也有各自独特的分泌蛋白,如VEGF-A仅在棕色脂肪细胞分泌蛋白中发现,而Leptin静载白色脂肪细胞分泌蛋白中发现。研究者的初步分析揭示了两种脂肪细胞分泌蛋白的差异也许预示着两种脂肪细胞对机体影响的功能存在较大的不同。

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图1:脂肪细胞分泌蛋白质组学鉴定工作流

随后,研究者重点关注了两种脂肪细胞分泌蛋白的定量差异,采用经典的MaxLFQ算法对不同样本间的鉴定蛋白进行定量分析。首先通过PCA主成分分析,研究者发现两种脂肪细胞分泌蛋白被显著地分到了两个不同的组分区域。研究者重点关注了注释为生长因子活性与激素活性的蛋白类型,在激素活性的蛋白中,研究者发现了包括TTR、FBN1等6种明显的差异蛋白,在生长因子活性的蛋白中找到了包括GRN、HDGF、EFEMP1等8种差异性蛋白。此外,CFH蛋白在两种脂肪细胞分泌蛋白组中的显著性差异随后通过Western Blot证实,说明了两种脂肪细胞分泌蛋白在定量水平上的差别(图2)。

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图2:定量比较两种脂肪细胞分泌蛋白差异变化

2 棕色脂肪的调控与活化

通过Label free非标定量蛋白质组学研究者找到了101种棕色脂肪细胞特异分泌蛋白和37种白色脂肪细胞特异分泌蛋白。其中,棕色脂肪细胞特异分泌蛋白EPDR1引起了研究者的关注。早期的研究表明,EPDR1能够结合结合脂肪小体,在脂质运输中发挥作用。研究者随后通过靶向蛋白质组学验证再次鉴定到了EPDR1的特征肽段,并且证明了EPDR1在棕色脂肪细胞中相较于白色脂肪细胞有更高的表达,是一种潜在的棕色脂肪因子(图3)。

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图3:EPDR1是棕色脂肪细胞特异分泌蛋白

为了进一步研究EPDR1的生物学功能,研究者分别在细胞系和小鼠体内进行了EPDR1敲除,比较了突变体与野生型之间的代谢差异或功能差别。研究发现,EPDR1敲除的小鼠表现出较低的耗氧量,并调控整个生物个体的能量代谢功能。

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图4:EPDR1对生物个体的代谢影响研究

综上所述,本文通过严谨的蛋白质组学实验设计对两种脂肪细胞分泌蛋白进行了全面的分析,并成功鉴定到一种潜在的棕色脂肪因子EPDR1,并通过细胞系与小鼠水平的生物学功能实验验证了EPDR1蛋白在参与代谢调控中的功能。

参考文献:

Deshmukh AS, et al., 2019, Proteomics-Based Comparative Mapping of the Secretomes of Human Brown and White Adipocytes Reveals EPDR1 as a Novel Batokine. Cell Metab.

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