高原鼠兔长期生存于低氧、高寒、强紫外线极端高原环境下,经过长期进化演进,被认为是研究高原土著动物适应高原环境理想模式动物。当前对高原土著动物的高原适应性研究,已成为高原医学研究的热点。文献研究表明,高海拔地区动物白色脂肪(white adipose tissue,WAT)与棕色脂肪组织(brown adipose tissue,BAT)会随季节、气温的改变而出现适应性变化
[1],包括驱动非战栗产热
[2-3]、棕色脂肪适应性分布
[4]、白色脂肪褐变
[5]等。
为研究高原鼠兔BAT适应高原极端环境的分子机制,运用超高效液相色谱—四极杆飞行时间质谱联用技术(ultra high performance liquid tandem chromatography quadrupole time of flight mass spectrometry,UHPLC-QTOFMS)代谢组学方法对不同海拔的高原鼠兔BAT中代谢物水平进行分析。在这项研究中,极端环境下的BAT代谢展现出与糖代谢、脂代谢、核苷酸代谢、胆汁酸代谢、氨基酸代谢等多种代谢途径的重要联系。
1 材料与方法
1.1 实验动物
本课题研究对象为海拔4 360 m青藏高原果洛地区鼠兔样本8只(MD组,3个月龄左右,雌雄各半)与海拔2 900 m海北州门源地区鼠兔样本8只(MY组,3个月龄左右,雌雄各半)。本次研究中的2组鼠兔的生存环境在海拔、氧含量、环境温度及草场条件(
表1)、2组一般生理生化指标检测结果(
表2)。采取样本立即-80 ℃保存,直至实验检测。本研究符合本单位伦理委员会所制定的伦理学标准。
1.2 主要仪器及试剂
1.2.1 实验试剂
LC-MS级甲醇、LC-MS级乙腈、LC-MS级乙酸铵、LC-MS级氨水购自CNW Technologies,纯度≥98%内标:L-2-氯苯丙氨酸。
1.2.2 实验仪器
1 290 UHPLC超高效液相(Agilent),Triple TOF 6 600高分辨质谱(AB Sciex),Heraeus Fresco17离心机(Thermo Fisher Scientific),BSA124S-CW天平(Sartorius),JXFSTPRP-24研磨仪(上海净信科技有限公司),明澈D24 UV纯水仪(Merck Millipore),PS-60AL超声仪(深圳市雷德邦电子有限公司),ACQUITY UPLC BEH Amide 1.7 μm 2.1×100 mm色谱柱(Waters)。
1.3 实验方法
1.3.1 代谢物提取
称取30 mg样本,加入600 μL含有内标的提取液,内标浓度2 μg/mL),涡旋混匀30 s;加入瓷珠,用45 Hz研磨仪处理4 min,后超声处理5 min(冰水浴);重复以上步骤2~3次;在-20 ℃静置1 h;将样品在4 ℃,12 000 r/min下离心15 min;取500 μL上清至EP管中;真空浓缩干燥提取;随后向干燥后的代谢物加入60 μL 提取液,复溶;涡旋30 s,继续超声处理10 min(冰水浴);将样本在4 ℃,12 000 r/min下离心15 min;取30 μL上清至2 mL进样瓶中,每个样本各取10 μL混合成QC样本,再取60 μL上机检测。
1.3.2 上机检测
使用UHPLC系、UPLC BEH酰胺柱和Triple TOF 6600进行LC-MS/MS分析。流动相由25 mmol/L NH4Ac和25 mmol/L NH4OH(pH=9.75)的水溶液(A)和乙腈(B)组成,洗脱梯度为0 min和95%B;0.5 min,95%硼;7 min,65%硼;8 min,40%B;9 min,40%B;9.1 min,95%硼;12 min,95%B,以0.5 mL/min递送,进样体积1.5 μL。在每个循环中,选择强度大于100的12个前体离子以30 V的碰撞能量进行碎裂。ESI源条件设置如下:离子源气体1为60 Psi,离子源气体2为60 Psy,幕帘气体为35 Psi,源温度为600 ℃,离子注入电压波动分别为5 000 V或-4 000 V。
1.3.3 质量控制
QC样本TIC出峰保留时间和峰面积重叠很好,说明仪器稳定性很好;内标L-2-氯苯丙氨酸在样品中的保留时间和峰面积具有良好稳定性,说明仪器数据采集具有较好稳定性;空白样品中无显著峰检出,说明物质残留控制得很好,不存在样品间的交叉污染。QC样本相关系数绝对值>0.99,具有强相关性。所有QC样本在PCA-X一维分布图中分布于2STD之内,QC样本中内标的相应差异≤20%,说明本次实验数据质量较高。
1.3.4 差异代谢物筛选及鉴别
在获得数据后,对其进行多元变量模式识别分析,包括t检验、PCA、OPLS-DA、差异代谢物筛选及鉴别的统计方法对结果进行分析,过滤掉代谢物中与分类变量不相关的正交变量,并对非正交变量和正交变量分别分析,从而获取更加可靠的代谢物的组间差异与实验组的相关程度信息。本次筛选使用的卡值标准为t检验(student’s t-test)的P<0.05,同时OPLS-DA模型第一主成分的变量投影重要度(variable importance in the projection,VIP)>1。
1.4 统计学方法
使用R4.2.1版本和自建二级质谱数据库对峰进行物质鉴定。计量资料采用均数±标准差(x±s)表示,比较采用t检验。检验水准α=0.05。
2 结 果
2.1 模式识别判别分析
在对比不同组别样本的聚类和分离时采用PCA分析。在PCA得分图中,QC样本分布较为聚集,证明本次实验仪器分析系统稳定性较好,结果可靠,样本的生物学差异可以准确被实验所得的代谢谱差异所反映。MD组和MY组OPLS-DA模型分离合理(R
2X=0.292,R
2Y=0.972,Q
2=0.718)。OPLS-DA的VIP>1和Student’s
t检验的
P<0.05,证明MD组和MY组相比代谢物发生显著变化,见
图1。通过与pubmed数据库的对比,筛选出19个代谢物,并初步将其作为研究高原鼠兔BAT适应高原环境的代谢机制潜在靶点(
表3)。
2.2 PCA3D得分图
PCA3D得分图能够更好得观察样本的聚集、离散程度,样本点的位置越相近,则表明两者之间的代谢差异越小。PCA3D得分图显示MD组与MY组样本点部分交叉,但并不重叠,在得分图中的位置明显分离,证明2组的代谢模式存在差异。此外,QC样本分布较为聚集,再次证明本次实验仪器分析系统稳定性较好,结果可靠,见
图2。
2.3 差异代谢物结果
将MD组与MY组的差异代谢物进行比较,结果如
表3所示。MD组糖代谢的相关物质如葡萄糖-6-磷酸显著上调;MD组动物体内有关核苷酸代谢的物质如ADP-核糖、腺苷、脱氧胞苷等上调趋势明显,而丙硫氧嘧啶与其他核苷酸趋势相反;与胆汁代谢相关物质如胆酸亦呈上调趋势。然而BAT中与脂质代谢相关的脂肪酸水平却明显下调,如甘油三酯、硬脂酸等脂类物质。氨基酸代谢的代谢物水平并非呈统一的上调或下调趋势,氨基酸如苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等呈上调趋势,鸟氨酸与尿素呈下调趋势。2组鼠兔BAT中的激素水平也有较大差异,MD组BAT中去甲肾上腺素较MY组下调。
此外,MD组和MY组其他差异性表达代谢物机制尚未明确,但有较高VIP值,如
表4所示。
2.4 差异代谢物的火山图
将筛选差异代谢物的结果以火山图的形式进行可视化。MD组对MY组的结果如图所示。火山图中每个点代表一个代谢物,横坐标代表该组对比各物质的倍数变化(取以2为底的对数),纵坐标表示
t检验的
P值(取以10为底对数的负数),散点大小代表OPLS-DA模型的VIP值,散点越大VIP值越大。散点颜色代表最终的筛选结果,明显上调的代谢物以红色表示,明显下调的代谢物以蓝色表示,非明显差异的代谢物为灰色,见
图3。
2.5 差异代谢物的代谢通路分析
取得差异代谢物的匹配信息后,将对应物种Rattus norvegicus的通路数据库相应代谢通路予以分析。结果以气泡图展示。结果显示富集的差异代谢通路以苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成通路影响因子最明显,磷酸戊糖途径、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢通路富集程度最明显。其他差异代谢通路包括维生素B6代谢通路、甲烷代谢通路和苯丙氨酸代谢通路也有变化,见
图4。
各通路所含差异代谢物如下:苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成通路为苯丙氨酸;磷酸戊糖途径通路为脱氧核糖;D-核糖-5-磷酸;D-红细胞4-磷酸;6-磷酸葡萄糖酸;甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢通路为L-丝氨酸;胆碱;甜菜碱;维生素B6代谢通路为吡哆醇。甲烷代谢通路:L-丝氨酸。
3 讨 论
高原鼠兔主要栖息在青藏高原的高寒草甸生态系统,严酷的高海拔环境,动物不仅面临低温,还受到低氧的长期胁迫,使其成为研究高原土著动物对极端环境适应的理想动物模型。根据非靶标代谢组学的结果可知,生存于不同海拔的鼠兔 BAT中代谢物水平差异较大,而其中部分代谢物的作用已有文献记载。
脂肪酸作为BAT适应性产热的“燃料”,受到高原低氧高寒等极端环境的剧烈影响。已有研究证明,冷暴露会引发脂质代谢系统性变化,从而增加脂肪酸向BAT输送能量
[6-7]。此外,冷暴露可诱导BAT产热基因表达,解偶联蛋白1(UCP1)和过氧化物酶体增殖受体γ辅激活因子α(PGC1α)蛋白水平升高,诱导BAT参与甘油三酯和甘油磷酯代谢
[8]。本研究还发现MD组BAT中硬脂酸水平下调,硬脂酸为不饱和脂肪酸,能通过下调成脂转录因子抑制脂肪细胞分化
[9],在寒冷条件时下调硬脂酸水平可促进脂肪细胞分化,BAT占比升高,增加机体产热。
糖类在生命活动中的主要作用是提供能量。MD组动物葡萄糖-6-磷酸水平高于MY组。研究发现,相较于WAT而言,BAT中含有丰富糖原和较低的葡萄糖含量
[10],表明BAT可快速合成糖原,且糖原可驱动棕色脂肪细胞分化过程中脂滴的生成
[11]。这种在BAT和WAT中的糖量差异提示葡萄糖可能参与到BAT的产热活动中去。动物实验表明,在饥饿条件下,BAT糖原可以影响体内营养感应,使小鼠的G-6-P水平增加
[12]。此外,1项有关小鼠冷暴露的实验发现,短期冷暴露能增加糖酵解途径中的代谢产物以及某些氨基酸含量,且BAT糖酵解途径代谢产物和乳酸水平明显高于WAT
[13-14]。BAT中糖酵解和脂肪酸的β-氧化是积极的生物途径,有助于通过冷暴露激活产热,从而促进UCP1表达产生热量。
在本研究中,BAT展现出与核苷酸代谢的紧密关系。MD组ADP-核糖、腺苷、脱氧胞苷、黄嘌呤、次黄嘌呤水平均高于MY组。通过现有文献进行分析,发现嘌呤、嘧啶、腺苷等物质能有效调节脂肪细胞的分化
[15]。如5-氮-2-脱氧胞苷被证明可以上调BAT特异性蛋白表达,阻碍与微小RNA的DNA甲基化来改变表观遗传学修饰,从而调节WAT发生褐变
[16]。腺苷能够通过激活腺苷受体A激活BAT和WAT脂肪细胞分解和产热程序,并能够促进WAT褐色化
[17]。有专家推测ADP-核糖与白色、棕色和米色脂肪细胞的分化有重要联系
[18],但目前并无确切证据。除此之外,PTU在MD组BAT中的表达明显下调。PTU是甲状腺激素(thyroid hormone,TH)抑制剂,TH对动物的体温维持有重要作用。在寒冷状态下,TH通过多途径刺激BAT产热,且促进WAT发生褐变
[19-20]。在强烈冷刺激的持续作用下,机体下调PTU水平,解除了对TH的抑制,使动物体温在寒冷条件下得以维持。
在差异代谢物的代谢通路分析中,苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等氨基酸合成通路的影响因子最大。有文献报道,冷暴露可影响BAT中的氨基酸代谢
[21-22]。在BAT中含量较高的代谢物中,大部分富集到磷酸戊糖途径、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢通路。其与核苷酸类物质的作用相似,氨基酸类物质同样对脂肪细胞的分化起重要作用。在寒冷应激时,酪氨酸合成通路激活,该蛋白质通过合成儿茶酚胺类物质,促进体内分解代谢,并通过TH的PPARγ信号通路调节UCP1的合成,促进脂肪褐变,消耗体内储存的TG加强产热
[23]。苯丙氨酸调节线粒体生成等方面来调节脂肪分化。而丝氨酸和苏氨酸可能通过丝苏氨酸蛋白激酶通路促进脂肪动员,可能与寒冷条件下增加产热有关
[24]。
研究结果显示,高海拔环境下,BAT中的激素水平也发生了巨大变化。去甲肾上腺素(norepinephrine,NE)是下丘脑调节体温的主要递质,能有效诱导非颤抖性产热能力。NE可激活BAT细胞内的β-肾上腺素受体,促进脂肪酸的释放,进而激活UCP1,从而提高机体体温;另一方面,高表达NE促进BAT细胞的增殖和分化,诱导WAT褐色化
[25]。NE受体可上调产热基因程序的表达,NE被证明是BAT生成的关键促进剂
[26]。理论上NE在MD组BAT中应为上调,但事实并非如此,初步推测其原因可能与递质耗竭有关。
此外,其他差异性表达的代谢物如磷酸二甲基乙醇胺、亚麻腺嘌呤二核苷酸(flaxseed adenine dinucleotide,FAD)、对氨基苯甲酸等代谢物水平变化机制还不明确,但它们都有较高的VIP值,进一步的研究可能需要关注这些代谢物的功能,排除假阳性的可能。
综上所述,生存于不同海拔的鼠兔BAT代谢物有巨大差异,高寒低氧环境通过影响机体的糖、脂、核苷酸、氨基酸代谢促进BAT分解脂肪和产热能力,同时上调促脂肪生成基因、促脂肪分化代谢物,增加BAT占比,为产热提供更多“动力”和“燃料”。BAT适应性改变使动物能在高原极端环境下能量代谢保持平衡。本研究还发现,某些代谢物水平在短期冷暴露和长期冷暴露环境下的变化不同,其原因和机制需要进一步探讨。