减肥是现代人非常关注的一个话题。目前为止，最有效的减肥方式或许就是“管住嘴、迈开腿”了。虽说靠节食和运动来减肥在普通人看来是个常识，但在科学家们看来，为什么这么做能促进燃脂，背后的因果关系还一直是个谜，也就为开发有效的减肥疗法造成了困难。

不过，近日有一项很有意思的研究指出：真正引燃体内储存脂肪的，是嵌入在脂肪组织中的一类神经。如果缺少合适的刺激，这些支配脂肪的神经会集体萎缩；相反，如果接收到正确的信号，这些神经将展现出惊人的生长能力，促进高效燃脂。在小鼠实验中，在没有瘦素的情况下，脂肪组织中通常浓密的神经纤维网络会收缩，而当把瘦素作为药物注入时，神经纤维又会重新长回来。这些变化影响了动物燃烧储存在脂肪中的能量的能力。如果在人类身上得到证实，这一发现将推动对肥胖和相关疾病的研究，并可能为开发针对脂肪中的神经元的新疗法打开大门。

来自纽约洛克菲勒大学霍华德休斯医学研究所分子遗传学实验室的Jeffrey Friedman教授团队于2020年7月22日将这项最新研究发表在世界知名杂志《自然》（Nature）上，题为《A leptin–BDNF pathway regulating sympathetic innervation of adipose tissue》。同时，领衔这项研究的著名遗传学家、瘦素基因发现者Jeffrey Friedman教授其实在1994年便首次发现了瘦素这种激素，它主要由白色脂肪组织中的脂肪细胞分泌，会向大脑报告机体脂肪含量，使神经系统抑制食欲，并增加能量消耗。

Nature. 2020 Jul;583(7818):839-844. doi: 10.1038/s41586-020-2527-y.

瘦素（Leptin）是一种由脂肪组织分泌的激素，它在血清中的含量与动物脂肪组织大小成正比。瘦素作用于位于中枢神经系统的受体（Leptin Receptor） 从而调控生物的行为以及新陈代谢。瘦素，顾名思义与“瘦”有关，是一种调节能量平衡和体重的重要分子。当动物体的体脂减少或处于低能量的状态下（例如饥饿），血清中瘦素的含量会明显下降，从而激发动物的觅食行为，同时降低自身能量消耗。反之，当生物体的体脂增加时，血清中瘦素含量升高，进而抑制进食并且加速新陈代谢。瘦素就是通过这样的负反馈机制来调控生物体的能量平衡以及体重。

瘦素基因（ob）在1994年由洛克菲勒大学的Friedman教授团队率先克隆。这个重大发现让学界认识到肥胖和基因的密切联系，从而也开启了科学家们对于肥胖、能量代谢以及神经内分泌学研究的新篇章。由于瘦素基因突变导致缺失瘦素的小鼠异常肥胖（ob/ob），这是因为瘦素受体接受不到信号，导致该突变小鼠长期处于虚假的“零脂肪低能量状态”。这种小鼠会表现出极强的食欲，同时由于自身能量代谢和脂肪的分解被抑制，最终积累出超过正常小鼠数倍的脂肪。进一步研究揭示，通过对该突变小鼠进行长期瘦素蛋白治疗，其食欲以及新陈代谢会回归正常，其肥胖症状也会最终消失。在过去的二十多年里，尽管人们对瘦素与小鼠食欲和新陈代谢调控的关系已经有了相当程度的认识，但是对瘦素如何促进脂肪分解和利用的具体机制仍不清楚。

为了进一步表征急性和慢性瘦素治疗之间的差异，研究团队设计了四组小鼠：（1）ob / ob磷酸盐缓冲盐水（PBS）组包括通过渗透泵接受PBS 14天的ob / ob小鼠；（2）慢性瘦素组包括接受瘦素14天的ob / ob小鼠。（3）急性瘦素组包括ob / ob小鼠，其接受PBS 14天，然后在第16 天接受急性剂量（3mg kg -1）瘦素；（4）野生型（WT）对照组包括接受PBS的WT小鼠（图1a）。

在第14天移除泵，在第16天，除接受瘦素的急性瘦素组外，其他三组接受单剂量的PBS注射。移除泵后两天（第16天），只有急性瘦素组的瘦素循环水平高。然后通过将小鼠置于4°C的房间中以测量棕色脂肪组织（BAT）的生热作用，或通过禁食小鼠从皮下（腹股沟）白色脂肪组织诱导脂质动员，来评估小鼠的生热或脂解反应。与以前的观察结果一致，野生型小鼠在冷暴露后仍保持核BAT温度，而ob / ob PBS和急性瘦素组则具有极低的体温（图1b，c）。相比之下，尽管完全缺乏瘦素信号传导，慢性瘦素组仍能像野生型小鼠一样捍卫核心和BAT温度，这由下丘脑中缺少磷酸化的信号转导子和转录激活因子3（p-STAT3）证实。慢性瘦素组的BAT中热生成基因（包括解偶联蛋白1（UCP1））的蛋白质和RNA水平显著高于PBS或急性瘦素组（图1df）。在WAT中观察到了类似的发现，其中慢性瘦素组的磷酸化激素敏感性脂肪酶（脂解标记物8）的水平高于PBS或急性瘦素组。

综上所述，这些数据表明，长期（而非急性）瘦素治疗可使对冷暴露和禁食的反应正常化，即使在缺乏循环瘦素的情况下，这种反应仍然持续。

图1.瘦素对缺乏瘦素的ob / ob小鼠的脂肪组织交感神经，产热和脂解的影响。

瘦素的作用的主要位点是大脑，这就增加了神经支配由顶向下传出信号从中枢神经系统（CNS）调节的可能性。因此测试了在2周内将ob/ob小鼠脑脊髓液（icv）瘦素脑室内注入（icv）的效果，这是一种低剂量，皮下给药时无明显效果。icv输注瘦素增加了iWAT和BAT中的SNS神经支配（图2a，b）。

与中枢神经系统的作用部位一致，瘦素没有诱导培养的交感神经元的生长。为了描述负责的神经途径，研究人员鉴定了瘦素信号传导与调节脂肪组织交感神经的传出神经途径之间的交点。将表达嗜神经性伪狂犬病病毒（PRV）的GFP（PRV-GFP）注入LepR-Cre : LSL-tdTomato小鼠的iWAT或BAT中，该小鼠在表达LepR的神经元中表达tdTomato荧光蛋白。在该实验中，tdTomato和GFP的共定位标记了瘦素反应性神经元（间接地）投射到脂肪组织上。PRV-GFP摄取于脂肪组织的突触末端。在第4天，在几个位置观察到了大脑区域的病毒标记，包括PVH，下丘脑核，已知单突触地投射到IML上。后5-6天注意到在从所述弓状核（ARC）的神经元GFP（对PRV）和tdTomato（对于瘦素受体）的表达的广泛重叠，背内侧下丘脑（DMH）以及视前内侧区域（MPO），据报道每个区域都可以调节能量消耗（图2c）。

为了测试这三个区域中的哪一个调节脂肪组织的神经，我们通过向成年Lepr的每个区域两侧注射Cre表达的腺相关病毒（AAV-GFP-Cre），删除了MPO，DMH或ARC中编码LepR的基因（图2d）。通过瘦蛋白诱导的STAT3磷酸化的缺失，证实了这三个区域中编码LepR的基因的Cre依赖性缺失。ARC中LepR编码基因的删除（LepRΔARC）导致iWAT和BAT中SNS神经支配的减少（图2e–h）。

这些结果表明，在整个ARC中，瘦素信号的破坏导致正常成年小鼠脂肪组织的交感神经支配力丧失。饮食引起的肥胖症（DIO）也与瘦素抵抗和ARC中瘦素信号传导的部分丧失有关。接下来询问在喂食60％高脂饮食（HFD）4个月的小鼠中是否观察到脂肪组织神经支配的变化（图2k）。如之前的图所示，这些小鼠在急性瘦素治疗后的4个月中变得对瘦素变得越来越不敏感，而STAT3磷酸化水平却很低（图2k）。DIO小鼠在皮下脂肪库中也表现出交感神经支配的明显减少（图2i，j）。

图2.瘦素通过ARC集中发出信号，以调节皮下脂肪贮库的交感神经支配。

在ARC，AGRP和POMC神经元的对瘦素的作用很多，因此研究团队接下来着手评估神经支配各自扮演的角色。为了进一步确认每个群体都间接地投射到脂肪组织，将PRV-GFP注射到AGRP-IRES-Cre :: LSL-tdTomato小鼠的脂肪中，或将PRV-mCherry注射到POMC-Cre :: LSL-Cas9-GFP小鼠中， 5天后，观察到PRV与AGRP或POMC在ARC中的共定位（图3a，b）。然后使用基于CRISPR的编辑策略测试了瘦素信号在这些神经元中的作用，该方法先前已被用于特异性删除这些ARC人群中编码LepR的基因。将AGRP-IRES-Cre或POMC-Cre小鼠与LSL-Cas9-GFP小鼠杂交以在每种细胞类型中特异性表达Cas9（图3c），然后双向注射AAV以驱动靶向该小鼠的单个向导RNA（sgRNA）Lepr（sgLepR）基因座或对照指导RNA（sgCtrl）。与邻近的Cre阴性细胞不同，通过在表达Cre的细胞中瘦素诱导的p-STAT3信号丢失（减少了95％以上）验证了编码LepR的基因的特异性缺失（图3d，e）。

删除AGRP（AGRPΔLEPR）和POMC（POMCΔLEPR）神经元中LepR的基因导致脂肪组织神经支配的显著减少（图3f-i）。尽管来自AGRPΔLEPR的数据未达到统计显著性，但在这些人群中，任一种群的Lepr缺失也与热反应略有降低有关。

这些结果揭示了AGRP和POMC神经元在调节脂肪组织中交感神经中的作用。但是，由于这两个种群都主要在大脑内投射，因此研究人员着手确定中间的神经元种群，AGRP和POMC神经元通过这些中间神经元对神经支配施加的影响。

图3.ARC中的AGRP和POMC神经元介导脂肪组织的瘦素依赖性交感神经。

BDNF信号传导调节能量消耗，Bdnf的突变以及编码其受体TrkB的基因的单倍不足会导致肥胖。此外，之前已经报道了icv施用BDNF会增加db / db小鼠BAT中去甲肾上腺素的更新和UCP1表达，这增加了BDNF可能调节脂肪的交感神经支配的可能性。

为了研究BDNF是否足以恢复神经支配，研究人员将BDNF-icv送入ob / ob小鼠共14天，发现iWAT和BAT中的交感神经支配显著增加（图4a，b）。每天两次通过icv注射递送的有或没有TrkB拮抗剂K252A的瘦素来治疗ob / ob小鼠，从而测试了BDNF信号传导对于瘦素介导的重新神经支配是否必要。

这种BDNF拮抗剂使iWAT和BAT中瘦素诱导的SNS神经支配显著降低了50％以上（图4c，d），并且还减少了瘦素介导的体重减轻。用另一种TrkB拮抗剂ANA12也观察到了类似的效果，它是经腹膜内递送的。这些结果增加了表达BDNF的神经元群体调节ARC中AGRP和POMC神经元下游的交感神经的可能性。

为了鉴定该假定的表达BDNF的人群，研究人员使用了先前通过将PRV-mCherry注射入BDNF-IRES-Cre :: LSL-GFPL10小鼠的脂肪组织中所使用的相同的PRV追踪策略（图4e）。发现，第一个显示GFP（BDNF）和mCherry（PRV）广泛共定位的大脑区域是PVH。瘦素治疗导致FOS阳性BDNF PVH数量增加50％神经元，并在显微解剖的PVH样品中Bdnf mRNA表达增加两倍（图4f–h）。但是，这些神经元不表达LepR，这表明它们受瘦素间接调节。

图4：BDNF PVH神经元调节ARC下游的交感神经。

在这项研究中，研究人员探索了引起急性和慢性瘦素对生热和脂肪分解的差异作用的机制，并发现了自上而下的神经回路，调节脂肪组织交感神经支配的瘦素依赖性可塑性。瘦素水平反映了营养的可获得性，这些数据表明瘦素不仅通过改变交感神经活动，而且通过动态调节脂肪组织中交感神经结构的结构发挥代谢和生热作用。

虽然中央BDNF信令先前被指出以调节能量消耗，但是潜在的机制是不清楚的。这项研究暗示PVH是BDNF的来源，它根据能量调节WAT和BAT的SNS神经支配水平的能力来调节能量消耗。BDNF PVH神经元投射到交感神经节前神经元，为调节直接支配脂肪组织的神经节后交感神经元的可塑性提供了管道。研究结果表明，自上而下的信号传导也具有类似的作用，这引发了在细胞水平上是否使用类似机制的问题。神经节前神经元的调节又如何导致神经节后神经元发芽的增加尚不清楚，目前正在研究中。由于瘦素间接作用于调节SNS的神经支配，操纵这些下游神经元可能会绕过瘦素抵抗，并可能提供新的细胞靶点和治疗代谢性疾病的新颖治疗方法。

图5：描述瘦素依赖性CNS–SNS的方案调节脂肪组织神经的反馈回路。

本研究发现，瘦素是通过调控下游神经元活性从而影响新陈代谢，这揭示了通过利用现有药物或者开发新型药物直接靶向这些神经元来治疗肥胖的巨大潜能，因此对临床研究和未来药物开发具有指导意义。“我们在这项研究中观察到，瘦素抵抗的肥胖小鼠与缺乏瘦素的动物类似，脂肪的神经支配变少了。”Friedman教授说，“因此我们推测，假如能直接激活支配脂肪的神经，让它们恢复燃脂的能力，动用储存的脂肪，将不失为治疗肥胖的一种新途径。

参考文献

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