杨金奎教授团队新成果：ACE2途径调节产热和能量代谢，是治疗肥胖和糖尿病等代谢性疾病新的潜在治疗靶点
2022-01-30
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编者按：2022年1月11日，生命科学界认可度很高的eLife杂志发表了首都医科大学附属北京同仁医院、北京市糖尿病研究所杨金奎教授团队的最新研究成果：ACE2途径为维持产热和能量消耗的关键调节因子。杨金奎教授为本文的通讯作者，曹曦副研究员、史婷婷副主任医师、张传海博士为本文的并列第一作者。
发现能量代谢平衡的关键调节因子对代谢性疾病（如肥胖和糖尿病）具有重要的应用前景。大家熟知，ACE2是新冠病毒的受体。但ACE2实际上是体内调节肾素血管紧张素系统的关键酶。ACE2全称为：血管紧张素转化酶2，它能水解血管紧张素 II，生成血管紧张素-(1-7)，后者主要通过 MAS1受体发挥作用。杨金奎教授团队的研究表明：ACE2 在棕色脂肪组织中高表达，冷刺激会增加棕色脂肪和血清中的 ACE2 和血管紧张素-(1-7) 水平。ACE2基因敲除小鼠(Ace2-/y) 和 MAS1基因敲除小鼠 (Mas1-/-)产热受损。移植了来自Mas1-/-的棕色脂肪组织的小鼠表现出与Ace2和Mas1敲除小鼠一致的产热受损和代谢异常。相比而言，db/db肥胖糖尿病小鼠和高脂饮食诱导的肥胖小鼠的产热受损可以通过 ACE2 的过表达或连续输注血管紧张素-(1-7)得到改善。在多种动物模型中，ACE2途径的激活与代谢参数的改善有关，包括血糖、血脂和能量消耗。同时，ACE2途径显著增强了白色脂肪组织棕色化。在机制上，他们发现ACE2通路激活Akt/FoxO1和PKA信号通路，从而诱导UCP1并激活线粒体功能。本研究表明，ACE2途径调节产热，ACE2途径是治疗肥胖和糖尿病等代谢性疾病新的潜在治疗靶点。点击左下角“阅读原文”即可下载研究原文。能量失衡和相关的代谢综合征已成为世界范围内的公共卫生问题。因此，确定可刺激能量消耗的因素有助于开发治疗方法，以减少影响世界10%以上人口的肥胖相关疾病[1]。在肾素-血管紧张素系统(RAS)中，血管紧张素转换酶2(ACE2)水解血管紧张素II(Ang II)生成血管紧张素-(1-7)(Ang-(1-7))。Ang-(1-7)是一种七肽激素，主要通过G蛋白偶联受体Mas1发挥作用[2]。ACE2-Ang-(1-7)-Mas1通路在多种疾病状态下作为ACE-Ang II通路的负调节剂发挥作用[3]。杨金奎教授课题组关注ACE2起源于2003年对严重急性呼吸综合征(SARS)的关注。SARS患者早期出现高血糖，高血糖是SARS患者死亡和发病的独立预测因子[4]。有趣的是，ACE2是SARS冠状病毒的功能性受体[5]。杨金奎教授课题组报道了Ace2敲除(Ace2-/y)小鼠葡萄糖耐量异常，这表明ACE2是治疗2型糖尿病的潜在新靶标[6]。杨金奎教授课题组前期研究已经陆续证明，ACE2调节胰腺β细胞中的线粒体功能，抑制肝脏胰岛素抵抗，改善肝脏脂肪变性，并改善脂肪细胞中葡萄糖摄取[7~12]。这些发现支持了ACE2-Ang-(1-7)-Mas1轴可能对代谢综合征具有保护作用的假设。在这项研究中，杨金奎教授课题组报道了ACE2途径通过调节线粒体功能来调节产热和能量代谢。研究发现Ace2-/y和Mas1敲除(Mas1-/-)小鼠不耐寒。课题组提供了令人信服的遗传、代谢、生理、组织学、细胞和分子证据，以证明ACE2途径是维持能量消耗的关键调节因子。ACE2途径调节棕色脂肪组织(BAT)和全身能量代谢的功能。从机制上讲，ACE2途径激活Akt/FoxO1信号通路和PKA信号通路，导致解偶联蛋白1(UCP1)的诱导和线粒体功能的激活。因此，ACE2途径是包括糖尿病、肥胖甚至心血管疾病在内的代谢紊乱的潜在治疗靶点。将能量转化为热量以维持体温的身体主要组织是BAT。杨金奎教授课题组发现BAT中Ace2和Mas1的mRNA水平和蛋白质水平明显高于小鼠皮下白色脂肪组织(scWAT)和附睾白色脂肪组织(eWAT)中的水平(图1A和B)。冷刺激导致BAT中ACE2蛋白表达显著上调(图1C)。同时，在4°C下暴露48小时后，BAT、scWAT和eWAT中的Ace2mRNA水平以及BAT和eWAT中的Mas1 mRNA水平增加(图1D和E)。冷刺激后血清中的ACE2和Ang-(1-7)也略有增加(图1F和G)。这些结果表明，在冷环境下，产热脂肪BAT和scWAT中ACE2通路的选择性诱导。
Figure 1. ACE2 pathway is activated by cold exposure.
控制能量稳态的一个关键因素是热量摄入和能量消耗之间的平衡。课题组观察到Ace2-/y小鼠的耗氧量(VO2)、二氧化碳释放(VCO2)和能量消耗(EE)降低(图2C、D和E)。在热中性条件(30°C)、环境温度(22°C)和急性寒冷(4°C)处理8小时，Ace2-/y小鼠的产热低于野生型WT小鼠(图2F)。正电子发射断层扫描-计算机断层扫描(PET-CT)分析结果显示，Ace2-/y小鼠BAT中的PET-CT信号低于WT小鼠（图2H）。组化结果显示，与WT小鼠相比，Ace2-/y小鼠中的BAT显示出更大的脂滴，且UCP1表达降低(图2I)。控制能量消耗和产热程序的蛋白质(UCP1、PGC1α和ATP5A)(图2J)在Ace2-/y的BAT中表达明显下降。更重要的是，Ace2缺乏的原代棕色脂肪细胞中UCP1表达降低（图2L），并且耗氧率(OCR)显著降低（图2M）。说明上述BAT产热的变化是细胞自主的。值得注意的是，过表达Ace2的Leprdb/db小鼠的能量消耗增加(VO2、VCO2和EE)(图3C-E)。并且过表达Ace2的Leprdb/db小鼠和高脂饲料(HFD)诱导的肥胖小鼠表现出比对照组更好的产热作用。PET-CT结果显示BAT在Ad-Ace2处理的Leprdb/db小鼠中被激活（图3H）。Ad-Ace2处理的小鼠的BAT中能量消耗和产热相关的蛋白质表达显著增加（图3J）。说明ACE2有效调节棕色脂肪细胞的线粒体功能。
Figure 2. Ace2 deficiency impairs thermogenesis, BAT activity, and energy metabolism.
Figure 3. ACE2 enhances thermogenesis, BAT activity, and energy metabolism in Leprdb/db obese mice.
通过皮下植入微渗透泵给药Ang-(1-7)，探索Ang-(1-7)在冷诱导的适应性产热中的直接生理作用。经Ang-(1-7)处理的Leprdb/db小鼠的能量消耗增加（VO2、VCO2和EE）（图4C-E）。此外，与对照组相比，Ang-(1-7)处理的Leprdb/db和HFD诱导的肥胖小鼠在环境寒冷(22°C)和急性冷应激(4°C)期间能够更好地保护它们的体温（图4F-H，图4-图补充1H）。同时，Ang-(1-7)处理的Leprdb/db和HFD诱导的肥胖小鼠在BAT中显示出更强的PET-CT信号（图4J，K）。UCP1和PGC1α的蛋白质水平在Ang-(1-7)处理的Leprdb/db和HFD诱导的肥胖小鼠的BAT中显著上调(图4L,M)。
Figure 4. Ang-(1-7) promotes thermogenesis, BAT activity, and energy metabolism in the Leprdb/db and the HFD-induced obese mice.
ACE2水解产生的Ang-(1-7)通过Mas1受体发挥功能，那么Mas1受体是否决定了Ang-(1-7)在棕色脂肪组织中的作用呢。首先，课题组发现高脂诱导的Mas1-/-小鼠，与对照小鼠相比，表现出糖耐量受损、血脂异常，耗氧量降低(VO2)(图5-图补充1D)。此外，在22°C或4°C下，Mas1-/-小鼠的产热低于WT小鼠(图5C、D、F)。分析表明，Mas1-/-小鼠在BAT中的PET-CT信号低于WT小鼠(图5E)。Mas1的缺失导致BAT产热蛋白(UCP-1、UQCRC2和SDHB)的显著抑制(图5I)。为了研究Mas1受体在BAT中的作用，课题组构建了BAT特异性Mas1敲除小鼠(Mas1-/-BAT移植小鼠)模型。首先，将野生型C57B/L6受体小鼠的BAT从肩胛间区移除。然后，将品系、性别和年龄匹配的Mas1-/-供体小鼠BAT解剖出来，移植到C57B/L6受体小鼠的背肩胛间区域（WT+Mas1-/--BAT）。作为对照，移植了野生型C57B/L6小鼠BAT(WT+WT-BAT)和C57B/L6小鼠附睾白色脂肪组织(eWAT)(WT+WT-eWAT)的C57B/L6受体小鼠分别用作阳性对照和阴性对照。移植后，受体小鼠用高脂饲料喂养10周。有趣的是，与WT+WT-BAT对照小鼠相比，WT+Mas1-/--BAT小鼠表现出严重受损的胰岛素抵抗。WT+Mas1-/--BAT小鼠和WT+WT-eWAT小鼠在葡萄糖耐量试验(GTT)和胰岛素耐量试验(ITT)中没有显著差异(图5J,K)。值得注意的是，HFD诱导的WT+Mas1-/--BAT小鼠体重显著大于WT+WT-BAT对照小鼠(图5L)。更重要的是，与WT+WT-BAT对照小鼠相比，WT+Mas1-/--BAT小鼠的耗氧量(VO2)和能量消耗(EE)降低(图5M-O)。这些结果表明，Mas1受体可以直接诱导棕色脂肪组织的产热。Figure 5. Ablation of Mas1 impairs thermogenesis, BAT activity, and energetic metabolism.白色脂肪棕色化对于机体能量代谢有重要调节作用。杨金奎教授课题组的研究发现，在ACE2/Ang-(1-7)处理的Leprdb/db小鼠中，皮下白色脂肪组织(scWAT)的结构呈现出向棕色脂肪样表型（具有多个脂滴的较小脂肪细胞）转变的特点(图6A)。scWAT中棕色脂肪细胞的标志物(例如Ucp1)也显著增加。而这些改变仅限于scWAT，而不是附睾白色脂肪组织(eWAT)。
Figure 6. ACE2 pathway induced white adipose tissue browning in the Leprdb/db obese mice.
ACE2途径通过Akt和PKA信号通路调节棕色脂肪功能
杨金奎教授课题组进一步研究了ACE2途径调节BAT的分子机制。首先，RNA-seq分析提示，在Ace2-/y的BAT中，Akt相关基因的表达水平显著降低。此外，Akt的Thr308位点在Ace2-/y和Ad-Ace2处理的Leprdb/db小鼠的BAT中，磷酸化水平都显著改变(图7B)。在原代棕色脂肪细胞中，Akt抑制剂MK2206，不但抑制了ACE2/Ang-(1-7)诱导的产热和线粒体功能相关蛋白表达(图7D)，而且抑制了ACE2/Ang-(1-7)诱导的OCR水平（图7E）。这些结果表明，Akt信号传导是ACE2途径的产热活性所必需的。其次，参与脂肪细胞产热的经典信号通路蛋白激酶A(PKA)在Ace2-/y小鼠，Mas1-/-小鼠和Ad-Ace2处理的Leprdb/db小鼠的BAT中，磷酸化水平显著改变。在原代棕色脂肪细胞中，PKA抑制剂H89，显著减弱了ACE2/Ang-(1-7)诱导的产热和线粒体功能相关基因的表达，以及ACE2/Ang-(1-7)诱导的OCR水平(图7J)，表明PKA信号传导对ACE2途径的产热活性很重要。同时我们的研究显示，Akt抑制剂可能普遍性降低脂肪细胞中的OCR，而抑制PKA仅影响ACE2/Ang-(1-7)诱导的OCR。PKA信号可能在ACE2/Ang-(1-7)诱导的线粒体活性方面发挥主要作用。
Figure 7. ACE2 pathway induces a thermogenesis program through the Akt signaling and the PKA signaling.
RAS系统以调节血压和维持水和电解质平衡而闻名。它在肥胖和胰岛素抵抗等代谢紊乱中也起着至关重要的作用。全面了解RAS的复杂生物学功能仍然是生物医学一项挑战性工作。BAT含有大量线粒体，利用葡萄糖和脂肪酸，通过UCP1通过线粒体呼吸促进产热。杨金奎教授课题组使用了七种小鼠模型，分别是Ace2 KO小鼠、Ad-Ace2处理的Leprdb/db和HFD小鼠、Ang-(1-7)处理过的Leprdb/db和HFD小鼠、Mas1 KO小鼠和BAT特异性Mas1基因敲除小鼠（Mas1-/-BAT移植小鼠）。基于这些小鼠模型中的一系列功能测定和原代棕色脂肪细胞，课题组有效地证实了ACE2通路调节葡萄糖和脂质稳态。此外，ACE2通路维持产热和全身能量代谢。分子分析，包括使用几种Akt和PKA抑制剂，证明ACE2通路对棕色脂肪细胞的影响是由Akt信号传导和PKA信号，导致PGC1α的激活，然后是UCP1的激活（图7K）。这些发现显著扩展了我们对RAS生物学功能的理解。此外，课题组的研究结果提出了一个新概念，即ACE2途径可以改善肥胖和相关的代谢紊乱。在此之前，杨金奎教授课题组证明ACE2途径参与葡萄糖和脂质稳态的调节，但对其潜在机制了解有限。在这里，课题组首次提供证据，证明葡萄糖和脂质稳态的改变与维持棕色脂肪细胞功能以促进能量消耗的变化有关。总之，ACE2途径调节BAT功能和全身能量代谢，这是代谢紊乱（包括代谢综合征、糖尿病、血脂异常和脂肪肝）的潜在治疗靶点。致谢：该项目获得国家重点研发计划（2017YFC0909600），国家自然科学基金（81561128015,81471014，81670774,82070850）北京市自然科学基金（7162047）资助。
杨金奎 教授，一级主任医师。博士研究生导师。享受国务院特殊津贴专家。2019年入选“北京学者”。北京市糖尿病研究所所长；首都医科大学附属北京同仁医院内分泌科主任；糖尿病防治研究北京市重点实验室主任；首都医科大学内分泌与代谢病学系主任。重点开展糖尿病微血管病变的临床研究和胰岛功能与分子标记物的基础研究。2006年发现冠状病毒 ACE2 受体对糖代谢的作用；2017年发现尿微量触珠蛋白预测糖尿病肾病新方法；2018年提出胰岛素分泌“双开关”控制理论；2021年发现黄连素降糖作用分子靶点；2021年发现CTSL为新冠肺炎治疗新靶点。作为首席科学家承担国家重点研发项目1项，主持国家自然科学基金重点项目、国际合作及面上项目 7 项。获国家新药证书 3 项，省级科技成果奖 6 项。在Diabetes Care（6篇）、STTT、Nature Comm、Cell Rep、eLife等发表SCI论文115篇；他引超过5000次。[1] Dong, M., Lin, J., Lim, W., Jin, W., & Lee, H. J. (2017). Role of brown adipose tissue in metabolic syndrome, aging, and cancer cachexia. Front Med. doi: 10.1007/s11684-017-0555-2[2] Santos, R. A., Simoes e Silva, A. C., Maric, C., Silva, D. M., Machado, R. P., de Buhr, I., Heringer-Walther, S., Pinheiro, S. V., Lopes, M. T., Bader, M., Mendes, E. P., Lemos, V. S., Campagnole-Santos, M. J., Schultheiss, H. P., Speth, R., & Walther, T. (2003). Angiotensin-(1-7) is an endogenous ligand for the G protein-coupled receptor Mas. Proc Natl Acad Sci U S A, 100(14), 8258-8263. doi: 10.1073/pnas.1432869100[3] Clarke, N. E., & Turner, A. J. (2012). Angiotensin-converting enzyme 2: the first decade. Int J Hypertens, 2012, 307315. doi: 10.1155/2012/307315[4] Yang, J. K., Feng, Y., Yuan, M. Y., Yuan, S. Y., Fu, H. J., Wu, B. Y., Sun, G. Z., Yang, G. R., Zhang, X. L., Wang, L., Xu, X., Xu, X. P., & Chan, J. C. (2006). Plasma glucose levels and diabetes are independent predictors for mortality and morbidity in patients with SARS. Diabet Med, 23(6), 623-628. doi: 10.1111/j.1464-5491.2006.01861.x[5] Lavoie, J. L., & Sigmund, C. D. (2003). Minireview: overview of the renin-angiotensin system--an endocrine and paracrine system. Endocrinology, 144(6), 2179-2183. doi: 10.1210/en.2003-0150[6] Niu, M. J., Yang, J. K., Lin, S. S., Ji, X. J., & Guo, L. M. (2008). Loss of angiotensin-converting enzyme 2 leads to impaired glucose homeostasis in mice. Endocrine, 34(1-3), 56-61. doi: 10.1007/s12020-008-9110-x[7] Cao, X., Lu, X. M., Tuo, X., Liu, J. Y., Zhang, Y. C., Song, L. N., Cheng, Z. Q., Yang, J. K., & Xin, Z. (2019). Angiotensin-converting enzyme 2 regulates endoplasmic reticulum stress and mitochondrial function to preserve skeletal muscle lipid metabolism. Lipids Health Dis, 18(1), 207. doi: 10.1186/s12944-019-1145-x[8] Cao, X., Yang, F., Shi, T., Yuan, M., Xin, Z., Xie, R., Li, S., Li, H., & Yang, J. K. (2016). Angiotensin-converting enzyme 2/angiotensin-(1-7)/Mas axis activates Akt signaling to ameliorate hepatic steatosis. Sci Rep, 6, 21592. doi: 10.1038/srep21592[9] Cao, X., Yang, F. Y., Xin, Z., Xie, R. R., & Yang, J. K. (2014). The ACE2/Ang-(1-7)/Mas axis can inhibit hepatic insulin resistance. Mol Cell Endocrinol, 393(1-2), 30-38. doi: 10.1016/j.mce.2014.05.024[10] Liu, C., Lv, X. H., Li, H. X., Cao, X., Zhang, F., Wang, L., Yu, M., & Yang, J. K. (2012). Angiotensin-(1-7) suppresses oxidative stress and improves glucose uptake via Mas receptor in adipocytes. Acta Diabetol, 49(4), 291-299. doi: 10.1007/s00592-011-0348-z[11] Shi, T. T., Yang, F. Y., Liu, C., Cao, X., Lu, J., Zhang, X. L., Yuan, M. X., Chen, C., & Yang, J. K. (2018). Angiotensin-converting enzyme 2 regulates mitochondrial function in pancreatic beta-cells. Biochem Biophys Res Commun, 495(1), 860-866. doi: 10.1016/j.bbrc.2017.11.055[12] Song, L. N., Liu, J. Y., Shi, T. T., Zhang, Y. C., Xin, Z., Cao, X., & Yang, J. K. (2020). Angiotensin-(1-7), the product of ACE2 ameliorates NAFLD by acting through its receptor Mas to regulate hepatic mitochondrial function and glycolipid metabolism. FASEB J, 34(12), 16291-16306. doi: 10.1096/fj.202001639R最新《国际糖尿病》读者专属微信交流群建好了，快快加入吧！扫描左边《国际糖尿病》小助手二维码（微信号：guojitnb），回复“国际糖尿病读者”，ta会尽快拉您入群滴！
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