2021年9月23日，来自北京大学未来技术学院分子医学研究所、北大-清华生命科学中心的邱义福团队在 Nature Immunology 上发表题为Macrophage IRX3 promotes diet-induced obesity and metabolic inflammation的研究论文，首次报道脂肪组织巨噬细胞中的IRX3对于调节肥胖及代谢炎症的重要作用，并且首次阐明IRX3作为转录因子促进炎症基因表达的具体分子机制。
图1：论文截图
肥胖不但引发糖尿病、非酒精性脂肪肝、动脉粥样硬化等一系列代谢疾病，还会加速癌症、新冠肺炎等多种疾病的发生发展，肥胖的流行已经成为全球医疗卫生系统的重大负担。对大规模人群进行全基因组关联分析发现， FTO 基因第一个内含子区的SNP与肥胖的发生具有非常紧密的联系，是人类多基因肥胖最强有力的遗传决定因子1, 2, 3。 FTO 基因的内含子区与 IRX3 基因的启动子区可以在染色体上直接相互作用，从而调节IRX3的表达4, 5。并且 Irx3 全身敲除的小鼠能够抵抗肥胖。据此推论， FTO 内含子区的突变通过调控 IRX3 基因的表达来控制体重。但对于IRX3具体在何种组织发挥作用尚有不同观点4, 5, 6，发挥作用的具体分子机制仍有待阐明。
为了探究IRX3在巨噬细胞中的功能，作者构建了髓系特异性 Irx3 基因敲除小鼠（ Irx3fl/flLyz2Cre ），发现普通饮食和高脂饮食的条件下，敲除小鼠的体重都明显低于对照小鼠（ Irx3fl/fl ），且主要源于脂肪及肝脏组织重量的减轻。进一步发现，该敲除小鼠氧气消耗能力明显增强，其褐色脂肪及皮下脂肪中的产热及脂解基因的表达也显著高于对照小鼠。这些结果说明髓系特异性 Irx3 基因敲除小鼠的脂肪组织产热能力更强，有利于消耗能量、减少脂肪累积，进而降低体重。
那么，髓系特异性敲除 Irx3 怎样影响脂肪细胞的功能呢？作者用体外培养的巨噬细胞上清处理脂肪细胞后发现，对照小鼠巨噬细胞的上清能够明显抑制脂肪细胞的产热及脂解过程，而敲除 Irx3 的巨噬细胞上清则基本解除了这一抑制作用，说明巨噬细胞中的IRX3通过释放某些因子作用于脂肪细胞。通过高通量测序分析、体外敲除及过表达实验验证，作者发现IRX3能够促进小鼠巨噬细胞和人源巨噬细胞中炎症因子 Il6 ， Il1a ， Il1b 等的转录，这些炎症因子的增加可以抑制脂肪细胞的产热及脂解功能。
IRX3又是如何调节巨噬细胞中炎症因子的表达呢？作者发现LPS的刺激能够显著增强巨噬细胞中IRX3的蛋白量，主要是因为IRX3蛋白的泛素化降解受到抑制，并鉴定出IRX3蛋白的泛素化位点K409。LPS除了能增加IRX3蛋白量，还能增强IRX3的磷酸化水平。通过表达不同激酶进行筛选，作者鉴定到激酶JNK1/2能够直接磷酸化IRX3，是IRX3磷酸化的关键激酶，并通过质谱鉴定出IRX3的两个重要磷酸化位点：S361和S389。磷酸化位点突变实验证实：这两个磷酸化位点在IRX3蛋白形成二聚体并入核行使功能中发挥关键作用。通过启动子结合位点预测及双荧光素酶报告实验验证，作者发现IRX3蛋白能够直接结合到 Il1a ， Il1b 及 Il6 的启动子区，促进这些基因的转录表达。
由于巨噬细胞和炎症因子在肥胖及相关代谢疾病中发挥重要作用，因此作者进一步探究，巨噬细胞中敲除 Irx3 能否缓解肥胖引起的代谢疾病。通过高脂饮食诱导肥胖后，对照小鼠表现出葡萄糖不耐受及胰岛素抵抗，而髓系特异性 Irx3 基因敲除小鼠的这些症状得到明显改善，说明它们具有更好的血糖清除及胰岛素响应能力。除了有助于控制血糖，敲除小鼠肝脏的脂质积累及血酯的含量也明显低于对照，表明它们能够缓解肥胖诱发的肝脏代谢紊乱，减缓脂肪肝的发生。
综上，该研究主要发现巨噬细胞中的IRX3作为转录因子，通过TLR4-JNK1/2-IRX3信号通路直接促进炎症基因的表达，从而抑制脂肪组织的产热功能，导致肥胖及相关代谢炎症疾病的发生。同时，该研究还首次鉴定到LPS调控的IRX3蛋白泛素化位点及磷酸化位点，为深入了解IRX3的蛋白功能及肥胖相关疾病的防治提供了新的线索。 Nature Immunology 同期刊发news & views予以解读7（图2）。
图2：同期news & views
北京大学未来技术学院分子医学研究所2016级博士生姚静斐为文章第一作者，邱义福研究员为通讯作者。邱义福实验室吴冬梅博士、张春艳及北京生命科学研究所罗敏敏实验室博士生严婷也对本研究做出了重要贡献。加拿大多伦多大学的Chi-Chung Hui教授和清华大学的董忠军教授为本研究提供了重要的实验材料。该研究得到北京大学分子医学研究所病理中心、北京大学生命科学学院仪器中心流式平台、清华大学蛋白质研究技术中心的大力支持。此外，该研究还得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委及北大-清华生命科学中心的支持。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41590-021-01023-y
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https://www.nature.com/articles/s41590-021-01032-x