本周分享的文献是2019年3月发表在Cell Reports 期刊上一篇题为“Exercise Alleviates Obesity-Induced Metabolic Dysfunction via Enhancing FGF21 Sensitivity in Adipose Tissues”的文章，研究发现运动可增强脂肪组织中的 FGF21 敏感性，从而缓解肥胖引起的代谢功能障碍。
成纤维细胞生长因子21 (FGF21) 在调节能量稳态、葡萄糖和脂质代谢以及胰岛素敏感性方面发挥关键作用。由饥饿和寒冷等各种细胞应激源诱导，通过促进糖异生、生酮和适应性产热来促进对应激环境的适应。矛盾的是，尽管具有多种治疗益处，但肥胖受试者伴随循环 FGF21 水平升高，并且是一组心脏代谢疾病的预测因子。FGF21 利用细胞表面的常规 FGF 受体1 (FGFR1) 和辅助受体 β-Klotho (KLB) 启动其靶组织（包括脑、脂肪组织和胰腺）中的细胞内信号级联。特别是脂肪组织，FGFR1 和 KLB 均大量表达，是介导 FGF21 代谢效应的关键靶点。
定期锻炼可通过调节多种器官的代谢和功能来预防和治疗肥胖。在脂肪组织中，运动训练可降低脂质含量和炎症，调节褐变和产热，并调节脂肪因子的产生。然而，运动如何导致这种脂肪重塑以及运动的脂肪作用是否有助于系统性改善胰岛素敏感性和葡萄糖稳态仍未确定。鉴于脂肪组织是 FGF21 的重要靶点，作者研究了 FGF21 信号传导是否介导运动的脂肪重塑，以及 FGF21 的脂肪作用是否赋予运动对小鼠葡萄糖和脂质代谢以及胰岛素敏感性的全身影响。
1、长期 HFD 导致脂肪组织产生 FGF21 抗性
作者发现 4 周 HFD 和标准食物(STC) 喂养组之间没有显著差异，但在12周HFD 喂养后，血清FGF21水平比STC喂养小鼠高 6 倍（图1A），且 HFD 喂养的小鼠肝脏中的 FGF21 mRNA 表达逐渐增加（图1B）。为了评估体内不同阶段膳食性肥胖对 FGF21 的敏感性，给小鼠喂食 HFD 0、4 和 12 周，通过腹膜内注射重组小鼠 FGF21 (rmFGF21) 蛋白 (0.5 mg/kg) 或生理盐水。在喂食 HFD 0 和 4 周的小鼠中，施用 rmFGF21 可显著降低血糖和血清胰岛素、甘油三酯(TG) 和游离脂肪酸 (FFA) 水平(图1C)，而在喂食 HFD 12 周的小鼠中，rmFGF21 的作用大大减弱。当剂量增加至 5 mg/kg时，在12周HFD喂养的小鼠中观察到明显的药理反应（图1D），导致血清FGF21浓度升高 15 倍（图 1E）。
接下来，作者分析了饮食性肥胖发展过程中FGF21的几种主要靶组织中 FGFR1 和 KLB 的表达模式。发现4 周 HFD 喂养上调了附睾白色脂肪组织 (WAT)、皮下 WAT和棕色脂肪组织 (BAT) 中 FGFR1 和 KLB 的 mRNA 和蛋白质水平，而 12 周的长期 HFD 喂养显着抑制了这些脂肪库中 FGFR1 和 KLB 的表达（图 1F-1H）。FGFR1 或 KLB 在其他 FGF21 靶组织中的表达在短期或长期 HFD 喂养期间均未出现显著变化（图1F-1G），这表明脂肪组织可能是导致慢性 HFD 引起 FGF21 抗性的主要器官。包括 MAP 激酶 Erk1/2（Thr202/Tyr204）的磷酸化，以及转录因子早期生长反应 1（EGR1）和葡萄糖转运蛋白 1（Glut1）的表达，在喂食HFD 12周的小鼠中被消除（图1I–1K）。总之，长期 HFD 刺激会导致小鼠脂肪组织产生选择性FGF21抗性。
Figure 1. Dynamic Changes in Circulating FGF21, Expression of FGF21 Receptors, and FGF21 Sensitivity in Dietary Obese Mice.
2、运动可逆转长期 HFD 诱导的 FGF21 抵抗
接下来，作者研究了运动是否可以逆转与饮食性肥胖相关的FGF21抵抗。为此，雄性 C57BL/6J 小鼠在 HFD 喂养 8 周后，接受了 4 周的跑步机训练。与久坐的HFD喂养小鼠相比，运动小鼠的体重和脂肪量分别减少了17.7%和35.4%，但仍远高于用 STC 喂养的瘦小鼠（图2A）。另一方面，4周跑步机运动可显著逆转 HFD 诱导的WAT和BAT中FGFR1和KLB的下调（图2B-2D），对其他几种靶组织没有明显影响。与此同时，运动训练可显著降低 HFD 诱导的循环 FGF21 水平和肝脏 FGF21 mRNA 表达升高，使其达到与瘦小鼠相当的水平（图 2E和 2F）。与久坐不动的肥胖小鼠相比，运动肥胖小鼠在注射一次 rmFGF21 蛋白（0.5 mg/kg）后，血糖水平和血清胰岛素、TG 和 FFA 水平显著降低（图2G）。此外，rmFGF21 对运动训练小鼠脂肪组织中 Erk1/2 磷酸化和 EGR1 表达的诱导作用明显强于久坐肥胖小鼠（图2H和2I）。
作者还测试了 rmFGF21 对接受短期跑步机训练（3天）的 HFD 喂养肥胖小鼠的影响，这对体重或脂肪量没有明显影响（图2J）。值得注意的是，3天的跑步机运动足以上调 WAT 和 BAT 中 FGFR1 和 KLB 的表达（图 2K），同时与久坐的肥胖小鼠相比，rmFGF21 对葡萄糖和脂质代谢的代谢益处显着改善（图2L），这表明长期和短期运动都可以通过上调脂肪 FGFR1 和 KLB 来减轻肥胖引起的FGF21抵抗，与肥胖的变化无关。
Figure 2. Exercise Induces Expression of the FGF21 Receptor Complexes in Adipose Tissues and Attenuates Diet-Induced FGF21 Resistance in Obese Mice.
3、FGF21的脂肪作用对于介导运动对全身的代谢益处至关重要
FGF21 的组织特异性由其共受体 KLB 决定。为了研究上调的脂肪 KLB 是否介导运动的全身益处，作者将 loxP 侧翼的 Klbf/f 小鼠与 adiponectin-cre 转基因小鼠杂交，生成脂肪细胞特异性 KLB 敲除 (Klbadi) 小鼠。4周跑步机运动显著降低了HFD引起的体重增加，在Klbf/f和Klbadi小鼠中差异无统计学意义（图3A），但运动的Klbadi小鼠附睾WAT重量低于运动的Klbf/f小鼠，肝脏重量高于运动的Klbf/f小鼠（图3B）。运动增加了Klbf/f和Klbadi小鼠的能量消耗和食物摄入，但两组之间没有明显差异。在葡萄糖耐量测试（GTT）和胰岛素耐量测试（ITT）期间，两组未经运动训练的HFD喂养小鼠的血糖波动没有明显差异（图3C和3D）。正如预期的那样，跑步机运动 4 周显著缓解了 Klbf/f 小鼠的 HFD 诱导的葡萄糖不耐受、胰岛素抵抗和高胰岛素血症、循环TG、FFA、血清FGF21 水平和肝脏 mRNA 表达，而运动的这些影响在 Klbadi 小鼠中显著减弱（图 3C-3I）。总之，缺乏脂肪 KLB 的小鼠对运动引起的血糖控制和脂质稳态改善具有抵抗力。
为了进一步测试 FGF21 信号传导是否是运动引起的代谢益处的必需条件，作者还比较了跑步机运动对 FGF21 敲除 (FGF21 -/- ) 小鼠及其野生型 (FGF21+/+) 同窝仔的影响。与 Klbadi 小鼠观察到的结果类似，运动训练后，FGF21 -/- 小鼠附睾 WAT 重量较轻，但肝脏重量比 FGF21+/+ 小鼠重。且运动对减轻葡萄糖不耐受、胰岛素抵抗和高胰岛素血症的有益影响在 FGF21 -/- 小鼠中显著受损。此外，缺乏 FGF21 会削弱运动对降低饮食肥胖小鼠循环 TG 和 FFA 水平的影响。
Figure 3. Mice with Adipocyte-Specific Ablation of KLB Are Refractory to Exercise-Induced Improvements of Glycemic Control and Lipid Homeostasis.
4、FGF21 通过脂肪重塑介导运动缓解肥胖引起的异位脂质沉积
为了研究 FGF21 如何作用于脂肪组织来调节运动期间全身葡萄糖和脂质稳态，作者比较了 HFD 喂养的肥胖饮食型 Klbadi 小鼠和 Klbf/f 小鼠在跑步机训练中组织学和分子变化。与肝脏重量的变化一致（图 3B），在两种基因型中都观察到运动引起的肝脏脂质沉积减少。然而，运动的 Klbf/f 小鼠的肝脏脂肪变性和肝脏 TG 和 FFA 水平的降低程度比运动的 Klbadi 小鼠大得多（图 4A-4C）。同样，与 Klbf/f 小鼠相比，运动引起的 Klbadi 小鼠骨骼肌脂质积累减少明显减少（图 4B 和 4C），且Klbadi 小鼠的肝脏和骨骼肌中运动诱导的脂肪酸氧化 (FAO) 和与脂肪酸β氧化相关的基因表达降低（图 4D 和 4E）。
与 Klbadi 小鼠类似，运动的 FGF21 -/- 小鼠的肝脏和骨骼肌脂质含量也高于运动的野生型同窝仔，而 FAO 能力也低于同窝仔。生化分析表明，与各自的野生型对照相比，Klbadi 或 FGF21 -/- 小鼠中运动引起的肝损伤缓解程度（以丙氨酸氨基转移酶 (ALT) 水平估计）也有所降低（图 4F）。此外，Klbadi 和 FGF21 -/- 小鼠均对骨骼肌中慢性运动引起的线粒体生物合成具有部分抵抗力，表现为运动干预后线粒体 DNA 含量降低（图 4G）和与线粒体生物合成相关的基因表达降低（图 4H）。发现在脂肪组织中缺乏 FGF21 作用的小鼠中，运动引起的胰岛素敏感性改善在肝脏和腓肠肌中受到损害，如胰岛素刺激后 Akt 磷酸化 (Ser473)（图 4I 和 4J）。总之研究表明，运动对非脂肪器官（包括肝脏和骨骼肌）的代谢益处至少部分由脂肪组织中的 FGF21 作用介导。
Figure 4. Mice with Adipocyte-Specific Ablation of KLB Are Resistant to ExerciseInduced Alleviation of Ectopic Lipid Accumulation and Insulin Resistance in Nonadipose Organs.
接下来，作者探究了 FGF21 的脂肪作用如何导致运动干预后远端器官中 FAO 增加和脂质积累减少。鉴于脂联素在促进肝脏和骨骼肌 FAO以及介导远端器官中 FGF21 治疗发挥关键作用。实验发现慢性运动导致 Klbf/f 和 Klbadi 小鼠血清脂联素水平和脂肪组织中脂联素表达显著升高（图 5A 和 5B）。然而，Klbadi 小鼠运动引起的脂联素表达及其循环浓度升高程度远小于 Klbf/f 小鼠。同样还观察到运动 FGF21 -/-与运动的 FGF21+/+ 小鼠相比，小鼠的循环和局部脂肪库中的脂联素水平较低。考虑到 FGF21 抑制脂肪分解并减少 FFA 流入非脂肪器官，作者接下来研究了 FGF21 的脂肪作用是否有助于运动对异位脂质积累的消耗产生有益作用。与运动后附睾 WAT 重量减少相一致（图 3B），运动的 Klbadi 小鼠的白色脂肪细胞比运动的 Klbf/f 小鼠小得多（图 5C），同时脂肪分解活性显著增加（图 5D），这是由于运动干预后脂肪甘油三酸酯脂肪酶 (ATGL) 和激素敏感性脂肪酶 (HSL, Ser660) 的磷酸化程度增加所致（图 5E）。与 Klbadi 小鼠类似，运动的 FGF21 -/- 小鼠的白色脂肪细胞也比运动的野生型同窝仔小，脂肪分解活性更高，附睾 WAT 中脂肪分解酶更多，这表明脂肪组织中 FGF21 作用的缺乏可能会加剧运动引起的脂肪分解和脂肪衍生的 FFA 流入肝脏和骨骼肌。
鉴于 FGF21 对脂肪组织衍生的炎症因子的抑制作用，众所周知，这些因子可诱导远端器官的脂质代谢功能障碍和胰岛素抵抗，作者接下来研究了脂肪组织中的 FGF21 信号传导是否有助于运动引起的代谢炎症缓解。正如预期，慢性运动导致炎症基因显著下调，包括肿瘤坏死因子 α (TNF-α)、单核细胞趋化蛋白-1 (MCP-1)、白细胞介素 (IL)-1β 和巨噬细胞表面标志物 F4/80，在 Klbf/f 小鼠的 WAT 中（图 5F），同时伴有血清 TNF-α 和 IL-1β 水平降低（图 5G 和 5H）。 然而，运动对抑制代谢炎症的这种效果在 Klbadi 以及 FGF21 -/- 小鼠中明显受损（图 5F-5H）。总的来说，脂肪组织中 FGF21 增强的作用可诱导脂联素的产生、抑制 FFA 的流出并抑制代谢炎症，这有助于运动对缓解胰岛素抵抗、葡萄糖和脂质失调以及异位脂质积聚产生有益作用。
Figure 5. Exercise-Induced Adipose Remodeling Is Diminished by Adipocyte-Specific Ablation of KLB.
5、运动诱导的脂肪FGFR1和KLB上调依赖于PPARγ
接下来作者研究了跑步机运动如何促进FGF21 受体复合物在脂肪细胞中的表达。先前的研究表明，运动训练在啮齿动物和人类中强烈激活过氧化物酶体增殖激活受体-γ (PPARγ)，且 PPARγ 激动剂罗格列酮的治疗促进了 FGFR1 和 KLB 的脂肪表达。因此，作者探索了运动诱导的脂肪 FGFR1 和 KLB 表达上调是否由 PPARγ 介导。通过 PPARγ 核 DNA 活性测定法，跑步机运动 4 周可增加饮食肥胖小鼠附睾 WAT 中 PPARγ 的活性（图 6A）。每天服用 GW9662（一种特异性 PPARγ 抑制剂）4 周可显著降低运动诱导的脂肪 PPARγ 活性增加，并消除运动对 mRNA 和蛋白质水平上 FGFR1 和 KLB 诱导的影响（图 6B-6D）。计算机分析发现，近端小鼠 FGFR1 启动子含有两个假定的 PPAR 反应元件 (PPRE)，位于相对于转录起始位点的位置 1,722 (PPRE1) 和 453 (PPRE2)（图 6E），而小鼠 KLB 启动子含有两个潜在的 PPRE，分别位于 1,609 (PPRE1) 和 1,080 (PPRE2)（图 6F）。为了确定这些潜在的 PPRE 是否介导 PPARγ 对这两个基因的诱导，我们构建了由小鼠 FGFR1（1,940 / +35）和 KLB 启动子（1,954 / +21），或突变启动子，其中预测的 PPRE 内的一个或两个核心基序 -AAAG 突变为 -GCCA-（图 6E 和 6F）。与转染空载体作为对照的细胞相比，PPARγ 的过表达显著增加了 HEK293 细胞中 FGFR1 和 KLB 启动子活性（图 6G 和 6H）。突变分析表明，FGFR1 启动子中的 PPRE2 突变和 KLB 启动子中的 PPRE1 突变导致其 PPARγ 反应的更大损失，并且两个 PPRE 的突变完全消除了 PPARγ 介导的 FGFR1 和 KLB 启动子的激活。
为了确定 PPARγ 是否与脂肪细胞中的 FGFR1 或 KLB 启动子结合，作者进行了染色质免疫沉淀试验，在脂肪形成分化不同天数的 3T3-L1 细胞中进行。在 3T3-L1 细胞的脂肪形成分化过程中，PPARγ 与 FGFR1 启动子（493/362）和 KLB 启动子（1,710/ 1,508）的 PPRE 区域的结合逐渐增加，但在对照区域则没有增加（FGFR1 为 5,971/ 5,834，KLB 为 5,944/ 5,839）（图 6I 和 6J）。此外，慢性运动显着逆转了 HFD 引起的附睾 WAT 中 PPARγ 与 FGFR1 和 KLB 的含 PPRE 启动子区域结合的降低（图 6K 和 6L）。综上所述，这些结果表明慢性运动引起的脂肪 FGFR1 和 KLB 的上调是由 PPARγ 介导的。
表明在长期运动时，FGF21-PPARγ-FGFR1/KLB 之间存在正反馈回路。
Figure 6. Exercise Induces Upregulation of FGFR1 and KLB by Activation of PPARγ in Adipose Tissue.
6、罗格列酮模拟运动效果，降低肥胖小鼠的 FGF21 抵抗力
鉴于 PPARγ 介导脂肪组织中 FGF21 受体复合物的运动诱导表达，最后作者研究了罗格列酮是否可以通过增强饮食肥胖小鼠的 FGF21 敏感性来模拟运动的代谢益处。发现服用罗格列酮可有效逆转脂肪组织中 FGFR1 和 KLB 的 HFD 降低的 mRNA 和蛋白质水平（图 7A-7C）。同时，罗格列酮治疗降低了血清 FGF21 水平和肝脏 FGF21 mRNA 水平（图 7D 和 7E）。值得注意的是，饮食性肥胖小鼠对单次 rmFGF21（0.5 mg/kg）的受损反应，包括血糖和血清胰岛素、TG 和 FFA 水平的降低，都通过罗格列酮治疗恢复到与瘦小鼠相当的水平（图 7F）。此外，罗格列酮治疗还恢复了 FGF21 在诱导脂肪组织中 Erk 磷酸化和 EGR1 表达方面的敏感性（图 7G 和 7H），这表明 PPARγ 激动剂通过诱导脂肪 FGFR1 和 KLB 具有与运动类似的 FGF21 敏化作用。
为了进一步研究罗格列酮是否通过增强脂肪组织中的 FGF21 信号传导来发挥其代谢益处，作者比较了罗格列酮治疗对饮食性肥胖的 Klbf/f 和 Klbadi 小鼠的影响。发现2 周罗格列酮治疗对体重的影响微乎其微（图 7I）。 然而，它显著降低了肥胖 Klbf/f 小鼠的葡萄糖不耐受和胰岛素抵抗，而罗格列酮的这种治疗益处在肥胖 Klbadi 小鼠中显著受损，这通过葡萄糖和胰岛素耐受性测试确定（图 7J 和 7K）。同样，与肥胖的 Klbf/f 小鼠相比，罗格列酮治疗对肥胖的 Klbadi 小鼠血清胰岛素降低和循环脂联素升高的影响明显减弱（图 7L 和 7M）。总之，这些数据表明罗格列酮的代谢益处部分是通过增强脂肪组织中的 FGF21 敏感性来实现的。
Figure 7. Rosiglitazone Alleviates DietInduced Glucose Intolerance And Insulin Resistance By Enhancing FGF21 Sensitivity In Adipose Tissues.
结论
总之，作者研究发现， FGF21的脂肪组织作用可介导运动带来的由肥胖引起的全身胰岛素敏感性、代谢稳态和其他非脂肪组织抗性，是对发挥多种益处的一种机制。由于脂联素产生减少、脂肪酸释放过多和脂肪炎症增强，缺乏脂肪 KLB 的小鼠对运动引起的胰岛素抵抗、葡萄糖失调和异位脂质积聚的缓解具有抵抗力。从机制上看，运动通过PPARγ介导的转录激活，诱导脂肪组织中 FGFR1 和 KLB 的表达。运动使脂肪组织中的 FGF21 作用敏感，进而发出体液信号来协调多器官的相互作用，以维持代谢稳态。作者提出：对 FGF21 的脂肪作用进行敏化可能是治疗这些慢性疾病的替代策略。
汇报人：李瑶