Nature：牛磺酸养生源，瘦身有成乐悠然

学术 2024-10-17 08:00 上海

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撰文 | 程诗淼高铭远 生茂正 郭盈盈于剑

编辑 | 孟美瑶

校对 | 生茂正

背景介绍

牛磺酸是一种条件必需的微量营养素和含量丰富的氨基磺酸(小编注：营养素是维持机体生存发育等生命活动，需要从外界环境中摄取的物质。从人体需求层面可分为：必需营养素、条件必需营养素和非必需营养素。条件必需营养素是指在人体正常生理状态下不需要外界进行补充，但当机体合成的营养素不足时需要从外界补充的的营养素，如在生长发育不全、遗传问题等导致代谢缺陷的条件下机体自身无法合成足够的营养素，在此情况下只能从外界补充营养素)，存在于哺乳动物组织和许多食物中，并在心脏、眼睛、大脑和肌肉等可兴奋组织中的含量极高。牛磺酸具有多种生理功能，目前研究发现组织中牛磺酸水平的降低会导致多组织肌肉萎缩、运动能力下降和线粒体功能障碍。与之相反，补充牛磺酸可以减少线粒体氧化还原应激，提高运动表现并抑制体重。

拓展阅读

牛磺酸的代谢作用

目前研究发现牛磺酸可以增强肌肉性能、心脏功能、肝脏活动和脂肪组织的能量代谢，从而维护能量代谢平衡。在脂肪组织和肝脏中，牛磺酸作为LXRα的配体，通过抑制转录因子pSREBP-1 nSREBP-1的易位从而减少脂质积累，促进脂肪酸β氧化、适应性产热和肝脏中胆固醇的外排。而在肌肉和心脏中，牛磺酸可以和钙离子螯合，增加肌细胞的钙离子浓度，增强其收缩和葡萄糖摄取能力，从而增强肌肉和心脏功能，促进损伤后组织修复。

除牛磺酸本身外，其次级代谢产物在维持代谢稳态中也发挥了重要的作用。游离胆汁酸可通过扩散进入细胞膜发挥细胞毒性。在肝脏中，胆汁酸CoA和牛磺酸反应可以生成包括牛磺胆酸在内的一系列结合型胆汁酸，这些胆汁酸无法通过扩散进入细胞产生细胞毒性，主要存在于多种动物的胆汁中，发挥乳化脂肪、帮助消化道消化和吸收的作用。此外，牛磺胆酸能增加脂质和胆固醇的溶解性，抑制胆结石的形成，增加胆汁流量。但在肝硬化过程中，肝细胞暴露于高水平的牛磺胆酸可能会显著刺激细胞因子(CXCL1、CXCL6、MIP2、MCP-1等)和黏附分子(ICAM1、VCAM-1等) 的表达，从而引发炎症反应，形成恶性循环。

参考文献：

[1]Wen C et al. Mol Nutr Food Res. 2019 Jan;63(2):e1800536.

[2]Kp AD et al. Crit Rev Food Sci Nutr. 2023;63(23):6005-6017.

近年来有关牛磺酸代谢的生物化学和酶学研究引起广泛关注。在内源性牛磺酸生物合成途径中，半胱氨酸通过半胱氨酸双加氧酶(Cysteine Dioxygenase, CDO)和半胱氨酸亚磺酸脱羧酶(Cysteine Sulfinic Acid Decarboxylase, CSAD)代谢生成亚牛磺酸，亚牛磺酸随后被含黄素单加氧酶1(Flavin Containing Dimethylaniline Monoxygenase 1, FMO1)氧化生成牛磺酸。此外，半胱氨酸还可以通过半胱胺和半胱胺双加氧酶(2-aminoethanethiol dioxygenase, ADO)产生亚牛磺酸。牛磺酸可以代谢生成几种次级牛磺酸代谢物，包括牛磺酸胆酸盐、脒基牛磺酸和N-乙酰牛磺酸。目前已知唯一催化这些牛磺酸下游代谢途径之一的酶是胆汁酸CoA：氨基酸N-酰基转移酶(Bile acid CoA:amino acid N-acyltransferase, BAAT)，它可以催化牛磺酸与胆汁酸辅酶A结合，产生牛磺胆酸。而除了BAAT之外，介导次级牛磺酸代谢的其他酶尚不清楚。

N-乙酰牛磺酸是一种有趣但研究较少的次级牛磺酸代谢产物。生物体液中N-乙酰牛磺酸的水平受到耐力运动、饮酒和营养性牛磺酸补充剂在内各种生理扰动的动态调节，这些扰动会增加牛磺酸或乙酸盐水平，从而促进N-乙酰牛磺酸的合成。此外，已有研究表明N-乙酰牛磺酸与包括乙酰胆碱和调节血糖的长链N-脂肪酰基牛磺酸在内的信号分子具有相似的化学结构，这表明它可能作为一种信号代谢物发挥作用。目前针对N-乙酰牛磺酸的研究较少，2021年Metabolites文献报道N-乙酰牛磺酸能够调节耐力运动骨骼肌中的线粒体乙酰辅酶A含量。2019年PNAs报道N-乙酰牛磺酸可能发挥信号代谢物作用，提高胰岛素敏感性和GLP-1分泌。

然而，N-乙酰牛磺酸的生物合成、降解和潜在功能尚不清楚。为了探索这一问题，斯坦福大学Jonathan Z. Long团队进行相关研究，其成果“PTER is a N-acetyltaurine hydrolase that regulates feeding and obesity”近期发表在Nature上，该研究发现了哺乳动物中首个N-乙酰牛磺酸水解酶PTER，并证实了N-乙酰牛磺酸在抑制进食和抵抗肥胖方面的重要生理功能。

敲黑板啦！

1、PTER是一种N-乙酰牛磺酸水解酶

2、Pter KO小鼠组织N-乙酰牛磺酸水解活性丧失

3、N-乙酰牛磺酸的药理学给药可抑制肥胖

4、N-乙酰牛磺酸的的厌食和抗肥胖作用需要功能性GFRAL受体

研究结果

从肾脏中提纯PTER

为了鉴定调节N-乙酰牛磺酸代谢的酶，研究人员采用体外酶活法检测和纯化小鼠组织中N-乙酰牛磺酸水解活性产物(图1A)。研究人员将总组织匀浆与N-乙酰牛磺酸(100 µM, 37 ℃, 1 h)共同孵育，用液相色谱-质谱法监测反应，在肾脏中观察到强烈的组织水解活性，导致反应中牛磺酸的产生和N-乙酰牛磺酸的消耗。与此同时，在肝脏中也表现出类似的N-乙酰牛磺酸水解活性，而在其他测试组织中检测到的活性很低(图1B)（小编注：在肝脏中牛磺酸可以和胆汁酸相结合，从而形成牛磺胆酸等结合型胆汁酸，牛磺胆酸为消化道中脂类吸收所必需；而肾脏是牛磺酸排出的主要器官，根据人体需要和膳食中牛磺酸的含量调节体内牛磺酸的含量）。研究人员随后将肾组织匀浆进行100,000g超速离心，分离成细胞质和膜组分，发现这种水解活性在细胞质中富集(图1C)。接下来，研究人员通过阴离子交换色谱法，分离出总肾细胞质组分，发现酶活性在15-20组分中达到峰值(图1D)。接着，研究人员将具有峰值活性的馏分合并，然后通过体积排阻色谱进行进一步细分，结果发现在组分20附近观察到一个单一的活动峰(图1E)。研究人员通过Shotgun蛋白质组学方法对新分离的组分20进行分析（小编注：鸟枪法(Shotgun)蛋白质组学是将复杂体系中的蛋白质酶解后，通过多维毛细管液相色谱分离技术进行分离，再对分离后的肽段进行质谱分析，从而对蛋白质进行定性鉴定），得到这些蛋白质的Byonic P值排序(图1F)，该值能够比对并判断识别到的组分可能与哪些蛋白质相关。该列表中排名最高的酶是羧酸酯酶 2c(Carboxylesterase 2c, CES2C又名EST2C)、肌肽二肽酶2(Carnosine Dipeptidase 2, CNDP2)和PTER，其中PTER是一种酶活性或功能未知的假定金属依赖性水解酶。

研究人员将编码这三种酶的cDNA分别转染到HEK293T细胞中，发现与转染GFP的对照裂解物相比，转染PTER而非EST2C或CNDP2的细胞裂解物具有更高的N-乙酰牛磺酸水解活性(图1G)，并且转染GFP的细胞在背景上表现出存在基础的N-乙酰牛磺酸水解活性，研究人员推测这可能是内源性的人PTER所致。与对照组相比，敲除PTER的HEK293T细胞裂解物完全丧失这种水解活性(图1H)，因此，PTER的过表达足以使细胞裂解物具有N-乙酰牛磺酸水解活性，PTER是HEK293T细胞内源性N-乙酰牛磺酸水解活性所必需的。综上所述，PTER在牛磺酸代谢的内源性生化途径中具有水解N-乙酰牛磺酸的功能。

图1.活性引导分离鉴定PTER为N-乙酰牛磺酸水解酶

PTER的酶学与诱变

为了探究PTER的酶学特性，研究人员通过在细菌中异源表达获得了纯化的重组鼠源PTER，并以N-乙酰牛磺酸为底物测定了其酶活性，然后将酶活性数据与Michaelis-Menton动力学（该动力学方程可反应酶和底物浓度对酶促反应速率的影响）拟合发现，重组PTER表现出以下值：K_cat = 2,600 s^-1, K_m = 430 µM 且V_max = 3.7 nM min^-1 mg^-1(图2A)。在对潜在底物的扫描中，研究人员发现当使用N-乙酰牛磺酸时，PTER最为活跃(图2B)。此外，PTER还催化其他几种N-乙酰氨基酸和N-丙酰牛磺酸的水解，但水解率较低，同时在大多数其他测试底物中均未观察到活性。为了确定对PTER酶活性重要的活性位点残基，研究人员将N-乙酰牛磺酸对接到AlphaFold 的PTER模型中，在模拟的活性位点中，研究人员确定了与N-乙酰牛磺酸有潜在相互作用的残基(如H300, R233和R204)，金属阳离子(如H26, H28和E169)以及底物结合区附近的其他活性位点残基(如Y263, Y65和T258)(图2C)。除此之外，研究人员还制备了15种单点突变的细菌重组小鼠PTER蛋白，并在体外测定了N-乙酰牛磺酸水解活性，发现除R233A外，这些点突变体的表达均与野生型PTER的表达相当，并且其中的许多突变完全破坏了酶活性(图2D)，进而说明PTER是一种N-乙酰牛磺酸特异性体外水解酶。

图2.重组小鼠PTER体外酶学及诱变

Pter敲除小鼠的代谢物水平

为了进一步探究PTER在体内的潜在生理相关性，研究人员构建了全身PTER敲除小鼠。Pter KO小鼠以预期的孟德尔比率出生，并且在鼠笼中的行为表现正常。研究人员使用抗PTER抗体，在WT小鼠的肝脏和肾脏组织中检测PTER蛋白高表达(图3A)，这与最初检测到高N-乙酰牛磺酸水解活性组织相对应(图1B)。而在Pter KO小鼠的肝脏和肾脏中，PTER蛋白完全缺失，N-乙酰基牛磺酸水解活性也完全丧失(图3B)。为了探究遗传性Pter缺乏是否会改变内源性N-乙酰牛磺酸水平，研究人员开发了一种针对这种代谢物的靶向LC-MS方法。通过这种方法，研究人员发现Pter KO小鼠的各组织中N-乙酰牛磺酸水平大幅增加，其幅度从两倍(脾脏中)到十倍(血液中)(图3C)，进而说明PTER是一种体内的生理性N-乙酰牛磺酸水解酶（小编注：牛磺酸可以促进脾脏中未成熟淋巴细胞的增生和分化，促进淋巴细胞的增殖，同时还能够增强巨噬细胞的活性，进而维持机体免疫系统的功能）。

接下来，研究人员使用靶向LC-MS检测了WT小鼠和Pter KO小鼠组织中牛磺酸和几种牛磺酸通路代谢物的水平。在所检测的组织中，牛磺酸水平本身没有显示出任何显著的基因型依赖性变化。研究人员发现牛磺酸的前体亚牛磺酸在Pter KO小鼠的附睾白色脂肪组织(eWAT)中增加，但在其他组织中没有增加。相反，亚牛磺酸前体半胱氨酸亚磺酸在Pter KO小鼠的心脏和棕色脂肪中减少，但在其他组织中没有减少。而半胱氨酸可以在部分组织中检测到，并且在Pter KO小鼠中未发生改变(图3D)（小编注：2019年IBC文章报道牛磺酸可以促进白色脂肪组织转变为棕色脂肪组织，进而抵抗肥胖，2009年Diabetes文章报道牛磺酸能够诱导脂肪组织巨噬细胞向M2样表型极化，进而缓解脂肪组织炎症）。

由于PTER在体外对另外四种N-乙酰化氨基酸(N-乙酰亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸和缬氨酸)也表现出适度的水解活性，研究人员使用靶向代谢组学来测量WT小鼠和Pter KO小鼠中这些N-乙酰化氨基酸的水平，发现除了脾脏中N-乙酰蛋氨酸的少量减少外，其他组织中N-乙酰蛋氨酸的水平基本未发生改变。而在Pter KO小鼠的所有组织中，N-乙酰缬氨酸，N-乙酰亮氨酸和N-乙酰异亮氨酸的水平均未变化。上述数据表明，遗传性Pter缺乏会导致所有组织中N-乙酰牛磺酸水平的广泛变化，且牛磺酸途径的代谢物和N-乙酰蛋氨酸的具有微小和组织特异性变化。

在尿液中，与WT小鼠相比，Pter KO小鼠的N-乙酰牛磺酸水平高出约两倍，而牛磺酸水平没有基因型依赖性差异(图S1A)。在正常条件下，N-丙酰牛磺酸低于血浆检测限(<1 nM)无法被检测。然而，当小鼠在饮用水中补充牛磺酸(2.5% w/v)时，N-丙酰牛磺酸水平上调且可被检测到，但在WT小鼠和Pter KO小鼠之间并没有显著差异(图S1B、C)。

图3.全身Pter KO小鼠的生化特征

图S1.Pter KO小鼠代谢产物的额外表征

Pter KO小鼠的代谢表型

在证实PTER作为小鼠中主要的N-乙酰牛磺酸水解酶后，接下来研究人员转向对这种生化途径潜在功能的研究。先前的一项研究发现，人类PTER基因序列附近的多态性与欧洲血统个体的早发性和病态成人肥胖有关，并且在2型糖尿病知识门户网站(Type 2 Diabetes Knowledge Portal, T2DKP)中，研究人员进一步发现Pter基因与BMI具有强相关性(图S2A)。这些遗传数据以及之前关于补充牛磺酸对能量平衡和代谢影响的文献表明，PTER途径可能参与体重调节，促进肥胖。

为了验证这一猜想，研究人员首先将一组雄性Pter KO小鼠和同窝WT小鼠进行高脂饮食(HFD)喂养8周，并监测体重和进食量。喂养8周后，Pter KO小鼠的进食量略有减少(约7%)，但体重没有差异(图S2B、C)。由于牛磺酸是PTER催化反应的底物，研究人员推断在牛磺酸通量增加的条件下，Pter KO小鼠的体重和进食量的变化会更加明显。于是研究人员将另一组WT小鼠和Pter KO小鼠进行HFD喂养，并在饮用水中补充牛磺酸。在补充牛磺酸8周后，与同窝WT小鼠相比，Pter KO小鼠体重减轻，体重增量减少，累积进食量减少(图4A-C)。而不同基因型之间的饮水量是相等的，这表明Pter KO小鼠的进食量减少是营养物质特异性的。此外，与WT小鼠相比，Pter KO小鼠葡萄糖耐量和胰岛素敏感性改善，这可能是体重减轻带来的继发性影响(图4E、F、图S2D、E)。对组织的解剖显示，体重的差异完全是由于Pter KO小鼠的腹股沟iWAT下部和eWAT的脂肪量减少(图4G、H)，而瘦体重没有变化。研究人员通过质谱分析证实，补充牛磺酸增加了WT小鼠和Pter KO小鼠的血浆牛磺酸水平(图4I)，在饮用水中补充牛磺酸导致Pter KO小鼠血浆N-乙酰牛磺酸过度积累(图4J)。

接下来，研究人员对Pter KO小鼠和WT小鼠进行HFD喂养和牛磺酸补充水，在先前实验中体重发生分歧前的时间点(4周)将其放入代谢笼中监测全身能量摄入和消耗参数变化情况。实验结果表明，Pter KO小鼠的进食量减少，但VO₂、VCO₂、RER或动态运动等其他测量参数并未发生变化（图4K）。然后研究人员在代谢笼中测试了一组独立的雄性WT小鼠和Pter KO小鼠，并给予HFD和牛磺酸补充水，在体重出现显著差异(8周)后的分析显示，Pter KO小鼠的进食量和呼吸交换率减少，而VO2、VCO2和动态运动在基因型之间没有差异(图S2F-K)，Pter KO小鼠的非空腹胰岛素水平也没有差异(图S2I）。

与WT对照组相比，同样采用HFD喂养和牛磺酸补充水方案的雌性Pter KO在体重、进食量和肥胖方面的变化也有所减少，而饮水量没有任何差异(图S2M-R)。上述实验数据表明，Pter KO 小鼠在添加牛磺酸的HFD条件下以刺激依赖性方式减轻肥胖、减少体重和食物摄入。这些数据还揭示了Pter位点、牛磺酸水平和饮食之间复杂的基因-环境相互作用。

在HFD喂养和牛磺酸补充水条件下，4周时两组小鼠非空腹血浆GLP-1、瘦素、GDF15、胃饥饿素、FABP4以及脂联素的水平没有差异(图S4A)，在8周时Pter KO小鼠血浆瘦素和GDF15水平降低(图S4B)，该结果与这一时间点小鼠的体重减轻相一致。此外，在8周时Pter KO小鼠和WT小鼠的肝脏和肌肉组织中线粒体复合物的蛋白质水平没有差异(图S4C、D)，两种组织中线粒体标记物或线粒体生物发生标记物的mRNA水平在基因型之间也没有差异(图S4E、F)。与此同时，Pter KO小鼠脂肪组织中细胞因子IL1和CCL2的mRNA水平略有降低(图S4G)，而在肝脏中这些细胞因子未发生显著变化(图S4H)，肝脏甘油三酯、AST和ALT水平在不同基因型之间也没有差异(图S4I、J)。为排除其他刺激对Pter KO小鼠刺激依赖性体重的影响，研究人员对一组新的雄性WT小鼠和Pter KO小鼠进行了HFD喂养和跑步机跑步的联合试验(图S5)。先前已有研究报道跑步机运动可以增加牛磺酸和N-乙酰牛磺酸水平，因此研究人员将跑步机运动作为第二种生理刺激用以补充牛磺酸。研究发现WT小鼠和Pter KO小鼠在跑步速度和距离上没有任何差异(图S5A-C)。与WT小鼠相比，Pter KO小鼠体重减轻，食物摄入量减少(图S5D-F)，并且葡萄糖耐量和胰岛素敏感性改善(图S5G、H)。通过组织解剖发现体重差异主要是由于脂肪组织重量的减少(图S5I、J)。在HFD和跑步机跑步实验条件下，WT小鼠和Pter KO小鼠的牛磺酸水平增加约两倍(图S5K)。运动后的Pter KO小鼠血浆N-乙酰牛磺酸水平远高于WT小鼠(运动或不运动)和不运动的Pter KO小鼠(图S5I)。

图4.PTER-KO小鼠的代谢表型

图S2.高脂饮食和牛磺酸补充水对雄性和雌性PTER-KO小鼠代谢特征的影响

图S3.普通饮食的雄性和雌性PTER-KO小鼠的额外代谢特征

图S4.PTER-KO小鼠的其他分子特征

图S5.慢性跑步机运动训练方案中雄性PTER-KO小鼠的代谢表型

N-乙酰牛磺酸的代谢作用

由于N-乙酰牛磺酸的积累是WT小鼠和Pter KO小鼠之间主要的代谢物差异，研究人员进一步探究了N-乙酰牛磺酸单独给药是否足以再现Pter KO小鼠能量平衡表型的各个方面。研究人员给饮食诱导肥胖的小鼠腹腔注射N-乙酰牛磺酸。在单次给药后，研究人员发现在15mg kg^-1和50 mg kg^-1剂量下，血浆N-乙酰牛磺酸浓度在1小时内分别达到约30µM和60µM(图S6A)，而血浆牛磺酸水平没有任何变化(图S6B)。在长期每日给药后，用N-乙酰牛磺酸处理的DIO小鼠在体重和进食量方面均表现出剂量依赖性的减少(图S6C、D)。在正常饮食小鼠中，N-乙酰牛磺酸也抑制了食物摄入和体重，但与DIO小鼠相比，其作用程度有所降低(图S6C、D)。为了确定N-乙酰牛磺酸的作用是否需要完整的酰胺化结构，研究人员分别比较了注射相同剂量(15 mg / kg / d)的N-乙酰牛磺酸、仅醋酸盐或仅牛磺酸的小鼠表型，发现用N-乙酰牛磺酸处理的小鼠表现出食物摄入量和体重的减少，而单独使用醋酸盐或牛磺酸处理的小鼠与对照组小鼠相比没有区别(图5c,d)，从而说明向WT小鼠注射含有完整的酰胺化结构N-乙酰牛磺酸可以减少体重和进食量。

为了更好地了解N-乙酰牛磺酸如何控制摄食行为，研究人员使用抗PTER抗体，通过蛋白免疫印迹检测了PTER在大脑不同区域的表达，发现PTER在脑干中表达，但在下丘脑和大脑皮层中不表达(图5E)。研究人员还检测了WT和Pter KO小鼠脑干中PTER依赖性水解活性以及该区域N-乙酰牛磺酸的积累(图5F、G)。尽管Pter KO小鼠的N-乙酰牛磺酸在所有检查的大脑区域中都有所增加，在脑干中变化最显著(图5H)，但脑干和下丘脑中神经肽和摄食相关基因的mRNA没有发生显著变化(图S7)（小编注：在稳态条件下，机体通常通过下丘脑神经回路来维持体重稳定，然而在压力或疾病条件下，机体会使用替代的神经元通路来适应改变的能量需求。17年Nature发现GDNF家族受体α样（GDNF family receptor a-like，GFRAL）是 GDF15 发挥降低食欲作用的重要受体，并且GFRAL仅在脑干中表达）。

先前已有研究探索脑干限制性GDF15-GDNF家族ɑ样受体(GDNF-family receptor α-like, GFRAL)信号在摄食控制中的作用（小编注：神经胶质细胞源性神经营养因子（Glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF）是一种有神经修复和神经保护作用的蛋白，GDNF受体及其同源配体被认为是神经系统中的主要神经营养网络之一，对多种神经元和胶质细胞的发育、维持和功能有重要作用），于是研究人员进一步探究了N-乙酰牛磺酸处理的厌食和抗肥胖作用是否需要完整的GFRAL受体。研究人员利用抗GFRAL中和抗体和IgG对照抗体进行实验，证实抗GFRAL抗体消除了重组GDF15的厌食作用(图5I)。当N-乙酰牛磺酸与IgG对照抗体共同使用时，小鼠体重和进食量减少，而在抗GFRAL中和抗体存在的情况下，N-乙酰牛磺酸减肥的作用被消除了(图5J、K)。

除此之外，研究人员还探究了GLP-1R和下丘脑黑皮质素受体4(Melanocortin Receptor 4, MC4R)信号在N-乙酰牛磺酸抗肥胖中的作用。GLP-1R拮抗剂exendin-3阻断了GLP-1肽对食物摄入和体重的影响，然而exendin-3并没有影响N-乙酰牛磺酸的减肥作用(图S8A-D)。此外，N-乙酰牛磺酸也抑制了Mc4r KO小鼠的摄食量和体重(图S8E、F)。最后，研究人员给小鼠注射N-乙酰牛磺酸，发现血浆中GDF15水平提高了约40%，而瘦素和GLP-1水平未发生改变(图S8G)。上述实验数据表明，PTER在脑干中表达，N-乙酰牛磺酸减少摄食和抗肥胖作用需要功能性GFRAL受体。

接下来，为了探究N-乙酰牛磺酸对脂肪组织的直接或间接作用，研究人员检测了N-乙酰牛磺酸在体外和体内给药后对脂肪细胞的影响。在体外实验中，甘油释放检测结果表明，N-乙酰牛磺酸不会急性刺激脂肪细胞脂肪分解(图S9A)。N-乙酰牛磺酸也不会刺激离体脂肪细胞中脂肪生成或脂质摄取相关基因的表达(图S9B)。在体内实验中，对小鼠给予单次N-乙酰牛磺酸处理不会促进脂肪分解或改变eWAT中的脂肪生成或脂质摄取基因表达(图S9C、D)，上述结果证明N-乙酰牛磺酸不直接调节脂肪细胞的脂质代谢。在Pter KO小鼠的血浆中，研究人员没有观察到特定或总血浆游离脂肪酸的任何变化，但血浆甘油水平略有增加(图S9E-J)。而在Pter KO小鼠的eWAT中，研究人员观察到脂质摄取和脂肪生成基因的mRNA水平发生了复杂的双向变化，HSL的磷酸化水平略有降低(图S9K、L)，这些都可能是N-乙酰牛磺酸处理导致小鼠进食量减少的继发效应。

图5.N-乙酰牛磺酸给药对小鼠的影响

图S6.野生型小鼠N-乙酰牛磺酸给药的额外特征

图S7.PTER-KO小鼠下丘脑和脑干基因表达

图S8.N-乙酰牛磺酸厌氧性作用中GLP1R和MC4R的需求

图S9.N-乙酰牛磺酸对脂肪的直接和间接影响

N-乙酰牛磺酸的产生途径

最后研究人员探究了牛磺酸生物合成N-乙酰牛磺酸的潜在途径。为了探究小鼠组织中是否含有牛磺酸N-乙酰转移酶，研究人员检测了在不同的孵育时间、缓冲液和乙酰基供体(乙酸或乙酰辅酶A)的情况下WT小鼠和Pter KO小鼠肝脏、肾脏、大脑和血浆中N-乙酰牛磺酸的表达水平。在肾脏和肝脏中，研究人员观察到以牛磺酸和乙酸为底物的PTER依赖性N-乙酰牛磺酸生物合成活性(图S10A-D)，且重组PTER可以体外催化发挥牛磺酸N-乙酰转移酶功能(图S10E、F)。因此，当提供高浓度的乙酸和牛磺酸作为底物时，PTER可以“反向”催化合成N-乙酰牛磺酸。此外，由于结果表明乙酰辅酶A与牛磺酸通过缩合以非酶促反应的方式产生N-乙酰牛磺酸(图S10A-D)，因此研究人员还考虑到肠道微生物群产生N-乙酰牛磺酸的可能性。在使用抗生素混合物处理1周从而清除肠道菌群后，WT小鼠血浆N-乙酰牛磺酸水平降低约30%，而牛磺酸水平没有任何变化(图S10G)。相反，用人工菌群hCom2定植无菌小鼠后（小编注：22年的Cell文章中作者在体外构建一个由104种细菌组成的定义群落，该群落中的细菌由人类肠道微生物群（hCom1）中最常见的分类群组成，随后作者借鉴“定植抗性”理论，用hCom1定植无菌小鼠，然后将人类粪便微生物组引入定植hCom1的无菌小鼠中，确定移植后出现的新物种，并将它们添加到hCom1中，产生hCom2。hCom2能反映人肠道微生物组的大部分生物学特性，并且该群落组成稳定，对病原体定植有很强的抵抗力。该模型能够应用于对影响宿主健康的基因、微生物种类的机制研究。)，血浆N-乙酰牛磺酸增加了约80%(图S10H)。通过生化检测牛磺酸N-乙酰转移酶活性，研究人员发现从hCom2定植小鼠分离的粪便细胞中N-乙酰牛磺酸分泌量上调(图S10I)。与体内数据一致，hCom2在体外也表现出N-乙酰牛磺酸合成活性(图S10J)。不仅如此，口服N-乙酰牛磺酸的DIO小鼠以剂量依赖方式增加血浆N-乙酰牛磺酸水平，减少进食量和体重(图S10K-M)，这表明N-乙酰牛磺酸可以完整地穿过肠道屏障。这些数据为多种促进体内N-乙酰基牛磺酸的获取途径提供了证据，包括PTER介导的反向合成、非酶促牛磺酸与乙酰辅酶A和微生物组的缩合。

图S10.N-乙酰基牛磺酸产生的代谢途径

总结

在本研究中，研究人员发现与体重指数相关的PTER是一种生理性的N-乙酰牛磺酸水解酶。在体外，PTER催化N-乙酰牛磺酸水解为牛磺酸和乙酸。在小鼠中，PTER在肾脏、肝脏和脑干中表达，敲除小鼠中的Pter会导致组织N-乙酰牛磺酸水解活性的丧失和N-乙酰牛磺酸水平的增加，在增加牛磺酸刺激后，Pter敲除小鼠表现出食物摄入量减少，对饮食诱导的肥胖的抵抗力和改善的葡萄糖稳态。向肥胖的野生型小鼠施用N-乙酰牛磺酸也以GFRAL依赖性方式减少食物摄入和体重（小编注：本研究发现脑干和GFRAL受体是N-乙酰牛磺酸发挥减肥作用的重要因素，但N-乙酰牛磺酸与天然GFRAL配体 GDF15 在结构上没有任何相似性，因此N-乙酰牛磺酸和GFRAL之间具体的反应途径可能很复杂，作者在本文并未进行具体说明，研究发现N-乙酰牛磺酸与神经递质乙酰胆碱在结构上具有相似性，而牛磺酸本身已被证明是GABA的激动剂，因此作者推测N-乙酰牛磺酸可能调节GFRAL上游的神经传递通路）。总的来说，该研究将PTER置于次级牛磺酸代谢的中心酶促节点，揭示了PTER和N-乙酰牛磺酸在体重控制和能量平衡中的作用。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07801-6

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代谢学人

华东师范大学生命科学学院肥胖和代谢性疾病研究组，主要介绍肥胖相关知识和科研进展。