摘要
Highlights
Morphological changes between pre-adipocytes and adipocytes are reflected in altered metabolism.
Distribution of fatty acids is significantly altered during differentiation in 3T3-L1 adipocytes.
Adipocytes rewire glutamine metabolism from consumption to net glutamine production.
Lipogenesis is fueled by increased glycolysis, cytosolic malic enzyme and oxidative phosphorylation.
A mitochondrial pyruvate cycle is active in differentiated adipocytes via PC, MDH and MEmit.
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背景介绍
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结果与讨论
如图一所示，3T3-L1细胞的形态从增殖过程中的特征性成纤维细胞样形状显著变化为脂肪生成过程中的圆形细胞形状。与前脂肪细胞相比，分化的脂肪细胞中的葡萄糖摄取量大约翻了一番，而乳酸分泌减少了4倍。谷氨酰胺和丙酮酸是用于增殖前脂肪细胞的其他重要碳源。有趣的是，对于分化的脂肪细胞，谷氨酰胺为净产量而不是消耗量，并且丙酮酸的摄取减少了4倍。增殖的前脂肪细胞以高速率分泌三种代谢物：丙氨酸、谷氨酸和甘氨酸。相比之下，分化的脂肪细胞以高速率分泌谷氨酰胺、甘油和甘氨酸。测量的摄取和分泌速率表明，在从增殖到脂肪生成的转变过程中，3T3-L1细胞的细胞内代谢发生了显著的重新布线，同时观察到脂肪酸的显著重新分布。
图一：增殖前脂肪细胞和分化的脂肪细胞的形态变化反映在葡萄糖和氨基酸利用的改变
如图二所示，对于前脂肪细胞，与13C-葡萄糖示踪剂相比，13C-谷氨酰胺对柠檬酸循环的标记程度要高得多。相比之下，乳酸被13C-葡萄糖和13C-谷氨酰胺示踪剂标记到相似程度，这表明前脂肪细胞利用糖酵解和谷氨酰胺分解途径产生乳酸。对于分化的脂肪细胞，葡萄糖是主要碳源，脂肪细胞中细胞外谷氨酰胺与细胞内谷氨酸和α-酮戊二酸之间存在显著的碳交换，糖酵解是脂肪细胞中乳酸产生的主要途径。
图二：示踪13C-葡萄糖13C-谷氨酰胺的同位素标记为代谢重组提供了定性见解
如图三所示，前脂肪细胞代谢的特点是葡萄糖和谷氨酰胺分别通过糖酵解和谷氨酰胺分解，广泛转化为乳酸。由葡萄糖和谷氨酰胺产生的大部分丙酮酸转化为乳酸，只有一小部分丙酮酸穿梭到线粒体以促进柠檬酸循环。相对于谷氨酰胺衍生的α-酮戊二酸的回补流入，由丙酮酸羧化酶催化的从丙酮酸到草酰乙酸的回补通量很小。分化的脂肪细胞的代谢特征是所有核心代谢途径的代谢活性相对于前脂肪细胞增加。糖酵解和氧化磷酸戊糖途径（oxPPP）的速率增加了约2倍，柠檬酸循环通量增加了约50%。脂肪酸的从头合成增加了18倍，这得益于增加的ATP-柠檬酸裂解酶通量。
图三：使用13C-MFA对代谢流量的定量表征表明核心代谢从增殖到脂肪生成的显著重组
如图四所示，促成NADH生成的两个主要途径是糖酵解和柠檬酸循环。在前脂肪细胞中，35%的NADH由糖酵解产生，65%由柠檬酸循环产生，而在脂肪细胞中，两种途径的相对贡献则相反。分化的脂肪细胞中的总胞质NADPH产生速率是前脂肪细胞的3倍。
图四：能量和氧化还原代谢特征性的重新布线
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结论
供稿：王杰
负责编辑：王丹
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ymben.2021.12.005
文章信息：Oates E H, Antoniewicz M R. Coordinated reprogramming of metabolism and cell function in adipocytes from proliferation to differentiation[J]. Metabolic Engineering, 2022, 69: 221-230.
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