目前，肥胖癥已經成為世界范圍內最嚴重的公共衛生問題之一。根據世界肥胖聯盟發布的2023版《世界肥胖地圖》，到2035年，全球超重或肥胖人口將超過40億，占全球人口的51%。肥胖受環境因素影響，但也與遺傳因素密切相關。

目前最大規模的肥胖癥GWAS（Genome wide association study, 全基因組關聯分析）研究發現了約1000個與BMI相關的單核苷酸多態性（SNP），解釋了約6.0%的BMI變化。值得注意的是，多個與肥胖相關的常見變異都位于FTO基因的內含子區域，并在大多數種族人群中顯示出肥胖的風險效應。其中，rs1421085 T>C變異與肥胖存在密切關聯，并被推測為功能變異之一，但在生物體水平上仍缺乏證據。

上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院王計秋教授領導的團隊近日利用全身性和棕色脂肪細胞特異性變異敲入方法在小鼠身上重現了同源的人類變異。他們發現，rs1421085 T>C是一種促進棕色脂肪產熱的功能變異。這篇題為“The rs1421085 variant within FTO promotes brown fat thermogenesis”的論文于7月17日發表在《Nature Metabolism》雜志上。
 

圖片來源：《Nature Metabolism》
（https://doi.org/10.1038/s42255-023-00847-2）

研究材料與方法
在這項研究中，研究人員使用了由賽業生物構建的兩種全身性（KI^Cas9和KI^ES）和一種棕色脂肪細胞特異性rs1421085 T>C KI小鼠模型。他們測定了各種小鼠的脂肪含量和能量消耗，并通過注射CL316,243或急性寒冷暴露來測定棕色脂肪細胞產熱。他們還通過RT-PCR和western blot分析來測定Ucp1等多個產熱相關基因的表達。在分析rs1421085 T>C的作用機制時，他們采用了染色質構象捕獲（3C-qPCR）分析。

技術路線
01 構建KI^Cas9和KI^ES小鼠模型，測定rs1421085 T>C變異的肥胖保護作用
02 測定同源rs1421085 T>C變異是否促進棕色脂肪細胞產熱
03 通過棕色脂肪細胞特異性的KI小鼠模型確認rs1421085 T>C的作用確定rs1421085 T>C變異促進棕色脂肪細胞產熱的機制

研究結果
1.rs1421085 T>C變異增強了棕色脂肪細胞的產熱
分析顯示，人類rs1421085變異的T等位基因與小鼠同源位點具有高度的相似性。為了明確人類rs1421085 T>C變異的生物學功能，研究人員利用了賽業生物提供的由CRISPR/Cas9系統構建的攜帶同源單核苷酸突變的全身性基因敲入（KI）小鼠模型（KI^Cas9，圖1b）。在喂食高脂飲食后，雄性KI^Cas9小鼠的體重增加和脂肪含量少于野生型對照小鼠，特別是腹股溝白色脂肪組織（iWAT）。

為了進一步證實該變異的肥胖保護作用，他們又采用基因靶向策略，以小鼠胚胎干細胞為基礎構建了第二種全身性同源rs1421085_C KI小鼠模型（KI^ES，圖1e，賽業生物提供）。與對照相比，KI^ES小鼠在高脂飲食條件下體重增加較少，脂肪量較少，且肝臟脂肪積累較少，與KI^Cas9小鼠的表型高度相似。與野生型小鼠相比，KI^ES小鼠的總能量消耗明顯增加。這些結果表明，rs1421085 T>C變異KI小鼠增加了總的能量消耗，并抵抗了高脂飲食誘導的肥胖。
 

同源rs1421085 T>C變異促進了能量消耗，并抵抗了高脂飲食誘導的肥胖^[1]

研究人員注意到，KI^Cas9小鼠棕色脂肪組織（BAT）中的脂肪細胞更小更密。同時，KI^Cas9小鼠BAT中產熱相關基因的表達也顯著增加，包括Ucp1、Pgc-1α、Prdm16等。他們隨后從BAT中分離出基質血管成分（SVF），并在體外誘導為成熟的棕色脂肪細胞。與對照相比，KI^Cas9和KI^ES小鼠模型的棕色脂肪細胞的產熱能力增強，表現為產熱相關基因的表達增加以及耗氧率增加。這些體內和體外的結果表明，同源rs1421085 T>C變異增強了棕色脂肪細胞的產熱。

2.rs1421085 T>C變異抵抗了高脂飲食誘導的肥胖
為了驗證BAT中的同源rs1421085 T>C變異是否對肥胖抵抗表型有重要貢獻，研究人員將同源rs1421085^floxp/floxp（KI^fl/fl）小鼠與Ucp1-Cre小鼠雜交，構建了棕色脂肪細胞特異性的rs1421085 T>C KI小鼠模型（圖2，賽業生物提供）。與兩個全身性KI模型相似，Ucp1-KI^fl/fl小鼠對高脂飲食誘導的肥胖也表現出抵抗力。值得注意的是，Ucp1-KI^fl/fl小鼠的總能量消耗與對照相比顯著增加，且脂滴變小，線粒體增加，Ucp1等產熱相關基因的表達也增加。綜合這三種KI模型的表型，研究人員認為同源rs1421085 T>C變異增強了棕色脂肪細胞的產熱，并抵抗了高脂飲食誘導的肥胖。
 

棕色脂肪細胞特異性的變異敲入抵抗了高脂飲食誘導的肥胖^[1]

3.rs1421085 T>C變異上調了FTO的表達
那么，rs1421085 T>C變異會對哪些基因的表達產生影響？rs1421085位點附近的幾個基因（包括IRX3/IRX5/IRX6基因簇、RPGRIP1L和FTO）被認為是FTO變異的下游候選目標。于是，研究人員評估了這些基因在三種KI小鼠模型的BAT中的表達情況，發現Fto在mRNA和蛋白質水平上的表達都顯著提高。

之前的研究發現，包含rs1421085的“次要等位基因”的1-kb基因組區域顯示出比主要等位基因更高的增強子活性。因此，他們構建了攜帶1-kb人類基因組片段的報告質粒，正向或反向插入人類FTO啟動子序列的前方。當反向連接時，攜帶T（主要）或C（次要）等位基因的片段都增強了FTO啟動子的活性，且攜帶C等位基因的片段表現出更高的活性（圖3）。通過染色質構象捕獲（3C-qPCR）分析，他們發現KI^ES小鼠（C-等位基因攜帶者）棕色脂肪細胞與Fto啟動子的相互作用頻率高于野生型小鼠（T-等位基因攜帶者）。這一結果表明，rs1421085 T>C變異導致增強子區域與Fto啟動子之間形成更強的染色質環。

同源rs1421085 T>C變異通過上調Fto表達而增加產熱^[1]

4.熱中性削弱了rs1421085 T>C變異的產熱效應
最后，研究人員評估了小鼠中rs1421085 T>C變異對肥胖的影響是否與BAT激活程度有關，因為小鼠一直都擁有熱激活的BAT，而人類的BAT激活在出生時就達到頂峰。他們給KI^ES小鼠和野生型小鼠投喂高脂飲食，并將其置于不同溫度下。值得注意的是，22°C時觀察到的組間體重差異在30°C（熱中性）時基本消失，而30°C時KI^ES小鼠的脂肪量和脂肪組織量與野生型小鼠相當，表明當BAT失活時，熱中性可以減弱rs1421085 T>C變異對能量消耗和肥胖的影響。不過，同樣在30°C下，KI^ES小鼠注射CL316,243后的總能量消耗增加，背表面溫度升高，表明rs1421085 T>C變異促進了BAT產熱。

研究結論
這項研究采用三種rs1421085 T>C KI小鼠模型來探索FTO rs1421085 T>C變異的功能。在收集這些轉基因小鼠模型的體內和體外證據后，研究人員發現rs1421085 T>C變異通過Fto–Ucp1軸來調控BAT產熱和肥胖。這一證據支持了rs1421085 T>C變異通過增強具有功能性BAT的哺乳動物的產熱來對抗寒冷。

原文檢索：
[1]Zhang, Z., Chen, N., Yin, N. et al. The rs1421085 variant within FTO promotes brown fat thermogenesis. Nat Metab (2023). https://doi.org/10.1038/s42255-023-00847-2