Cell | 独特研究思路揭示BAT蛋白组与33种代谢性疾病表型密切相关

11月23日Cell正刊在线发表了题为“Architectureof the outbred brown fat proteome defines regulators of metabolic physiology”的文章，该文章主要围绕棕色脂肪细胞蛋白质功能及与疾病相关性进行研究。文章样本准备思路新颖，数据挖掘深入，非常值得借鉴，接下来我们详细看下文章内容。

代谢性疾病是人类最常见的疾病之一，在人群中表现出不同的外显率。遗传变异是决定对代谢疾病的敏感性或保护性的主要因素（Barroso和Mc Carthy，2019；Spe-liotes等人，2010）。遗传差异导致蛋白质丰度或功能改变，从而影响对发病机制的环境驱动因素的敏感性。棕色脂肪组织（BAT）和米色脂肪（BGE）含有不同的蛋白质组，可以在无效循环中协调能量来源的快速分解代谢。人类的BAT分解代谢活性是高度可变的，并与代谢性疾病参数表现出很强的负相关性（Becheret al.，2021）。因此，了解控制在基因多样性人群中存在的BAT功能分化的分子基础，可能有助于深入了解代谢性疾病的共同调节因子。

本文对163只基因型多样性远系繁殖（DO）小鼠进行了BAT的深度定量蛋白质组学研究，并利用这个数据集来定义BAT（OPABAT）的功能远系蛋白质组结构，主要包含以下四个模块：1）注释BAT蛋白生物学功能的蛋白质组结构；2）用于代谢表型建模的品系选择；3）发现与代谢生理学和疾病相关的BAT蛋白；4）定位与远系繁殖的人类生理和疾病相关的BAT蛋白靶标。

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思路图

对163只小鼠肩胛骨棕色脂肪组织（BAT）进行了定量蛋白质组检测，定量了10,479个蛋白质，其中70%在每只小鼠中都被定量。与之前的蛋白质组学研究不同，本文量化了远系繁殖队列中的蛋白质，并表现出遗传扰动，且在自然种群范围内产生一致的蛋白质表达变异,最终能够导出共同变异，以系统地定义共调节蛋白相互作用并构建OPBAT。

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DO队列中的基因型、表型和蛋白质组

尽管许多BAT蛋白已被广泛研究，OPABAT中量化的10479种蛋白质中的大大多数并没有明确注释到特定的复杂或生物功能，本文利用深度OPABAT蛋白质组系统地注释了基于相关表达的蛋白质功能，得到一个包含160,364个显著的蛋白质-蛋白质相关性的网络（edges）。

OPABAT网络中共有10,773edges（6.7%）可以用已知的物理相互作用来解释，并完全再现了102个CORUM复合物。部分网络可归因于已知的瞬时或组织特异性蛋白复合物，这些复合物似乎不能在BAT中重现。为了进行更广泛的调查，作者还在BioGRID、STRING和MINT中汇总了物理相互作用，此外，还研究了可以用共同生物过程中的协同活动来解释的edges，另外注释了49,205edges。大多数物理相互作用（79%）也在协调的途径中被识别出来，包括代谢途径，如TCA循环。总的来说，OPABAT中有41.6%的edges根据文献证据进行了注释。这表明，DO队列中蛋白组的合作网络分析产生了一个基于蛋白质共享生物活性的结构。

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协同作用蛋白鉴定

除了重建数百个已建立的蛋白质网络外，本文还确定了93,660个以前未描述过的相关性。接下来，本文基于蛋白质的协同作用系统地注释了蛋白质的生物学功能。通过对edges富集程度进行评分，确定了与已知复合物或途径蛋白相互作用的协同蛋白。最终3,500CORUM核心复合物总共鉴定了515个，如蛋白酶体亚基和mTORC1复合物的协同网络成员。与此同时，本文还鉴定出了2,345个与265个KEGG通路相关的蛋白。

为研究新发现的协同作用蛋白是否可以作为识别BAT生热功能调节因子的基础，本文研究了与在产热过程中具有明确作用的蛋白质的合作伙伴（图2H和S2G）。其中研究最广泛的生热蛋白是UCP1，它只在BAT和BGE中表达。UCP1是生热呼吸的主要产物，被认为有助于BAT对代谢性疾病的保护活性，UCP1的丰度和活性受到严格的上游调控。有趣的是，本研究分析显示，84个蛋白与UCP1表现出显著的协同性，在与UCP1最强的协同作用中，有两个未确定特征的蛋白：LETMD1和SFXN5（图2I）。

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图2 协同作用蛋白展示

LETMD1与UCP1高度相关。在此基础上，本文探讨了LETMD1在UCP1功能和BAT活性中的作用。文章中首先证实了LETMD1 isoform1的存在和较高的相对丰度驱动了与UCP1的相关性。然后检测了LETMD1的组织表达，结果表明它在BAT和BGE中选择性表达，且与UCP1趋势一致。此外，与UCP1一样，LETMD1在BAT中表达可冷诱导，并且定位于棕色脂肪细胞的线粒体内膜（图3C-3F）。在此基础上，构建了LETMD1基因敲除小鼠，以探索LETMD1对UCP1的可能调控作用。值得注意的是，LETMD1的缺失导致BAT中UCP1蛋白的消失和BAT的白化。此外，分化的棕色脂肪细胞中LETMD1的缺失显著降低了生热能力，这与UCP1蛋白的高度选择性丢失相一致，与其他生热因子或线粒体呼吸链复合物表达的影响无关。事实上，缺乏LETMD1的小鼠也表现出了BAT依赖的适应性生热能力的严重受损。总之，本文数据确定了LETMD1是BAT中UCP1丰度和适应性生热的调节因子，并证明了如何使用远交系BAT蛋白质组的合作网络分析来识别特征的蛋白的生物学作用。

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图3 OPABAT鉴定出LETMD1是UCP1依赖BAT产热作用的调节因子

SFXN5是一种未知的线粒体膜蛋白，在BAT中没有已知的作用。在OPABAT中，SFXN5与UCP1表现出最高的蛋白质组协同性，而SFXN1-4与UCP1没有显著相关性。与UCP1和LETMD1一样，SFXN5在BAT中高表达，其转录本的表达是冷诱导的。此外，研究发现SFXN5的定位仅限于UCP1所在的线粒体内膜，因此假设SFXN5调控BAT中ucp1依赖的产热作用，并得到了验证。

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OPABAT鉴定出SFXN5是ucp1依赖BAT产热作用的调节因子

本文量化了33个与肥胖和BAT功能相关的主要代谢参数。结果发现，DO队列在许多与代谢性疾病相关的主要生理参数上表现出显著的表型异质性。在对HFD的肥胖反应中发现了一个显著的例子，一些小鼠在HFD干预后变得严重肥胖，而其他小鼠对肥胖表现出显著的抵抗。有趣的是，在整个队列中，某些表型参数彼此之间的相关性比其他参数更强。本文评估了在人群中发现的OPABAT表型变异的程度，结果表明，男性和女性在BAT活性和大多数代谢表型上都表现出相似程度的变化。此外，OPABAT小鼠的表型变异与人类群体的相似，表明DO模型具有足够的异质性，可以获得共变异来分析表型输出的分子驱动因素。

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 表型变异的遗传基础

接下来，作者利用OPABAT来识别代谢性疾病的蛋白调节因子，并确定了蛋白质表达和表型数据之间的相关性，发现了数百个与至少一个表型参数显著相关的蛋白质。虽然有些蛋白质与多种表型有共同的相关性，但许多蛋白质对每种表型都是独特的。另外分析确定了一些已知在BAT功能、肥胖和代谢性疾病中发挥作用的蛋白质-生理相关蛋白。例如，在HFD的作用下，与肥胖相关性最强的两种蛋白是瘦素和NPR3，研究表明BAT NPR3的表达是远交系群体中肥胖的积极驱动因素。

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 全身代谢生理学中的BAT蛋白决定因素

Na+/K+转运ATP酶由α、β、γ亚基组成。基于Ca2+快速内流在调节生热过程中的作用，本文推测ATP1A2丰度的升高可以通过拮抗生热效应底物激活来抑制棕色脂肪细胞EE（图6A），并通过小鼠原代棕色脂肪细胞中ATP1A2丰度检测、过表达ATP1A2、定量磷酸化蛋白质组学进行验证。结果表明，ATP1A2丰度的升高可以拮抗棕色脂肪细胞中肾上腺受体介导的生热反应。且在致肥环境中，操纵BAT中ATP1A2的表达足以动态调节BAT的功能和肥胖。总而言之这些数据说明了OPABAT如何用于识别BAT介导的代谢性疾病保护的新调节因子。

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图6 ATP1A2抑制BAT能量消耗

接下来，文章探讨了OPABAT蛋白-表型相关因子在人类群体中的相关程度。首先，文章中比较10名人类患者的深颈部BAT和浅表/皮下SAT的转录本丰度。结果发现，OPABAT表型相关蛋白的转录本在人类BAT中的表达量高于SAT。接下来，研究了在OPABAT中观察到的蛋白质-表型相关性是否能在人类中重现。为此，收集了20个人类队列中的表型和锁骨上脂肪组织（SCVAT）转录数据，在热中性或室温条件下测量了39个定量表型参数，同时对SCVAT活检进行RNA-seq分析。结果表明8%-39%的蛋白质相关因素被重新用于人类肥胖表型，OPABAT中22%-30%的肥胖蛋白相关因子被概括为人类SAT中的表型-转录相关因子，而BMI是富集大多数OPABAT相关因子的人类表型。总之，这些数据表明，在DO小鼠中发现的蛋白质-表型相关因子在人类群体中重现。

最后，文章探讨了代谢表型的OPABAT蛋白相关因素对人类疾病的影响，最终确定了OPABAT相关因子与人类疾病网络之间的高度映射，如肥胖、糖尿病和代谢性疾病相关的肝脏病理。尽管BAT代谢与广泛的疾病有关，但这些联系背后的分子靶点还不清楚。本文分析揭示了BAT中的蛋白质，它们可以通过调节BAT的功能来优先分析与人类代谢性疾病的相关性。

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OPABAT代谢生理相关因子与人的相关性

OPABAT代表了远系繁殖小鼠BAT蛋白质组中最深层的数量景观。文章利用该模型的异质性来进行共变异分析，以研究BAT功能、代谢生理、遗传和蛋白质组学决定因素。最终发现SFXN5、LETMD1和ATP1A2作为BAT生热和肥胖的调节剂。总之，这项工作证明了深入的远系蛋白质组学是如何帮助发现未被充分研究蛋白质的生物活性。

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