2024年发表于《Nat Commun》（IF=14.7）

一、研究背景
乳酸曾被认为是葡萄糖代谢的废物，是运动诱导的食欲抑制的重要介质，并且在下丘脑中，通过影响STAT3、Akt和AMPK等信号通路来控制能量平衡。乳酸衍生的赖氨酸残基乳酰化（Kla）被确定为一种新的表观遗传修饰，在多种疾病中起关键作用，尤其是在转录调控中。Fam172a是一种与高葡萄糖水平相关的蛋白，可能参与高葡萄糖诱导疾病的发病机制，并且其在可变剪接调控和协同转录中起关键作用，但其在代谢方面的功能研究较少。下丘脑在能量平衡控制中起着至关重要的作用，特别是前阿片黑皮质素（POMC）神经元，它们对能量稳态很重要。α-MSH的合成和释放是POMC神经元功能不可或缺的一部分，而肽甘氨酸α酰胺化单加氧酶（PAM）是催化这种修饰的唯一酶，与代谢密切相关。

二、研究结果
1、敲除下丘脑弓状核（Arc）神经元中的Fam172a可缓解高脂饮食（HFD）诱导的小鼠代谢失调
与正常饮食(Chow)相比，HFD喂养4周后Fam172a表达略有下降，而HFD喂养8周后Fam172a表达明显下降（图1A）。免疫荧光结果显示，Fam172a主要在神经元核中表达，并且在HFD喂养8周后Fam172a表达水平下降（图1B-C）。Fam172a在小鼠体内敲除成功，Fam172a敲除小鼠的体重增加量明显低于对照组，脂肪量和瘦体重均有所下降，但对葡萄糖耐量有所升高（图1D-F）。Fam172a敲除小鼠在暗周期内的氧消耗和能量消耗也都有所增加（图1L-M）。这些研究表明下丘脑Arc神经元中的敲除Fam172a可保护小鼠免受HFD诱导的肥胖，但主要是哪些神经元起作用仍有待探索。

图1 在下丘脑Arc神经元中敲除Fam172a可保护小鼠免受HFD诱导的代谢失调

2、POMC神经元中FAM172a的缺失可防止饮食诱导的肥胖（DIO）及其相关的代谢紊乱
在小鼠的POMC神经元中成功敲除Fam172a，获得PFKO小鼠（图2A），PFKO小鼠的体重增加量明显低于POMC-Cre小鼠，脂肪量和瘦体重有所下降，并且棕色脂肪组织(BAT)、皮下脂肪组织(sWAT)和附睾脂肪组织(eWAT)的重量也均有所下降，但对葡萄糖耐量和胰岛素敏感性均有所改善（图2B-J）。PFKO小鼠的食物摄入量有所下降，但其氧消耗和能量消耗有所增加（图2K-O）。这些数据表明，POMC神经元中的Fam172a介导了HFD诱导的肥胖及其相关的代谢失调。

图2 POMC神经元中Fam172a的缺失可保护小鼠免受DIO及其相关合并症的侵害

3、POMC神经元中过表达FAM172a导致食物喂养小鼠出现肥胖样表型
免疫荧光显示，与对照组(AAV-GFP)相比，病毒能够精准地定位到POMC神经元中，并且在这些神经元中Fam172a基因过表达成功（图3A）。相比于对照组小鼠，Fam172a过表达小鼠(AAV-Fam172a)的体重显著增加（图3B）；脂肪量有所增加，而瘦体重没有显著变化（图3C-E）；eWAT和sWAT的重量和脂肪细胞大小均有所增加（图3F）；葡萄糖耐量和胰岛素敏感性有所下降（图3G-I）;食物摄入量有所增加，而氧消耗和能量消耗有所下降（图3G-N）。这些数据均表明Fam172a在POMC神经元中的过表达可导致小鼠出现肥胖样表型。

图3 POMC神经元中Fam172a的激活导致肥胖样表型

4、细胞内乳酸水平受Fam172a通过糖酵解过程影响
RNA-seq分析发现，相比于对照组，Fam172a敲低组中，糖酵解途径相关基因的表达显著上调，例如LDHA、PFK1等（图4A-B）；Fam172a敲低组中，LDHA、PDK1等糖酵解相关基因的mRNA和蛋白表达水平显著上调（图4D-E）；Fam172a敲低组中，细胞的糖酵解速率、糖酵解能力和糖酵解总量均显著增加（图4F-G）；细胞内的乳酸含量显著增加（图4H）；LDHA和PDK1启动子的活性显著增加（图4I-J）。而Fam172a过表达组中，糖酵解相关基因的表达水平、ECAR（细胞外酸化率）和细胞内乳酸含量均显著降低（图4K-O）。这表明Fam172a可能通过在细胞核中影响糖酵解相关基因的启动子活性来调节其表达。

图4 敲低Fam172a后，糖酵解过程增加细胞内乳酸水平

5、POMC神经元敲除FAM172a通过糖酵解过程增加中枢神经系统中的乳酸水平
Fam172a敲除小鼠的POMC神经元中，下丘脑Arc区域的组织的ECAR值显著高于对照组，且细胞的糖酵解速率、糖酵解能力和糖酵解总量均显著增加；LDHA和PDK1的蛋白表达水平显著上调；乳酸含量也显著增加（图5A-E）。以上数据表明，POMC神经元中敲除Fam172a可以导致中枢神经系统中的乳酸水平有所积累。

图5 抑制LDHA活性消除了PFKO的抗肥胖作用

6、抑制LDHA活性消除了PFKO的抗肥胖作用
Fam172a敲除小鼠(PFKO)在人工脑脊液（aCSF）处理组中体重增长显著低于野生型小鼠(Fam172aL/L)，抑制LDHA的活性可以促进PFKO小鼠的体重增加（图5F-G）。草酸盐处理的PFKO小鼠的体重增长显著高于Fam172aL/L，脂肪质量、脂肪细胞大小和数量也显著增加，但其瘦体质量并没有增加（图5H-J）。草酸盐处理的PFKO小鼠的胰岛素耐量、耗氧量、能量消耗均显著低于aCSF处理组，而食物摄入量显著高于aCSF处理组（图5K-O）。这些数据表明，LDHA介导 PFKO 小鼠的肥胖保护作用。

图5 抑制LDHA活性消除了PFKO的抗肥胖作用

7、乳酸通过H4K12la调节PAM的转录水平
乳酸处理的Neuro2a细胞中，H4K12la蛋白水平显著升高（图6A）。CUT&Tag分析表明，乳酸处理细胞中H4K12la峰在转录起始位点附近富集（图6B）。乳酸处理组PAM基因启动子区域H4K12la峰显著富集，mRNA水平和启动子活性显著升高（图6C-G）。RNA-seq和qRT-PCR结果表明，Fam172a下调导致PAM基因mRNA水平升高（图6H-I）。Fam172a下调导致PAM基因启动子活性和蛋白水平均升高（图6J-K）。这些结果表明，乳酸水平升高通过H4K12la影响PAM基因表达。

图6 乳酸通过H4K12la调节PAM的转录水平

8、Fam172a的破坏导致POMC神经元组蛋白乳酸化和α-MSH释放增加
PFKO小鼠（POMC神经元特异性Fam172a缺失）中POMC神经元H4K12la表达升高（图7A-C）。PFKO小鼠Arc中PAM基因mRNA水平和蛋白表达升高（图7D-E）。PFKO小鼠PVN和DMH中α-MSH水平升高，且下丘脑α-MSH含量升高（图7F-H）。中枢神经系统给予α-MSH受体拮抗剂SHU9119后，PFKO小鼠的食物摄入和能量消耗增加，与Fam172a缺失导致的肥胖表型相一致（图7I-K）。这些数据表明，Fam172a通过影响 PFKO 小鼠中PAM的表达来调节α-MSH的合成。

图7 Fam172a的破坏导致POMC神经元中组蛋白乳酸化和 α-MSH释放增加

三、研究结论
POMC神经元特异性敲除Fam172a能够增加组蛋白乳酸化，保护小鼠免受饮食诱导的肥胖和相关代谢紊乱。相反，POMC神经元中Fam172a的过表达则导致肥胖样表型。此外，研究还发现Fam172a通过影响糖酵解过程和乳酸水平，进而调节组蛋白乳酸化和肽基甘氨酸α酰胺化单加氧酶（PAM）的表达，影响α-MSH的合成。

参考文献：
Histone lactylation mediated by Fam172a in POMC neurons regulates energy balance. Nat Commun. 2024 Nov 22.