《PLOS Biology》：Adiponectin exerts sex-dependent effects on lipid, amino acid, and glucose metabolism during caloric restriction
编辑推荐：
脂联素是循环系统中含量最丰富的激素。肥胖时血浆脂联素下降，而在瘦状态下则升高，包括动物和人类在热量限制（CR）期间也是如此。在肥胖背景下，脂联素缺乏会促进心脏代谢功能障碍。相比之下，在CR状态下——即脂联素处于最高水平时——脂联素的作用在很大程度上尚不清楚。为
脂联素是循环系统中含量最丰富的激素。肥胖时血浆脂联素下降，而在瘦状态下则升高，包括动物和人类在热量限制（CR）期间也是如此。在肥胖背景下，脂联素缺乏会促进心脏代谢功能障碍。相比之下，在CR状态下——即脂联素处于最高水平时——脂联素的作用在很大程度上尚不清楚。为解决这一问题，研究人员研究了9–13周龄雄性和雌性小鼠在自由摄食（AL）或30% CR饮食条件下的全身性脂联素敲除（KO）模型。研究显示，脂联素KO并不改变CR对体重、体组成或能量消耗的影响。然而，KO出人意料地降低了CR期间的血糖水平，这一现象既见于空腹状态，也见于口服葡萄糖负荷后。这与AL喂养或肥胖状态下脂联素缺乏的效应相反，且发生时并未伴随胰岛素浓度或胰岛素敏感性的变化。此外，脂联素KO在两性中均增强了CR诱导的血浆脂肪酸升高；并且仅在雄性中，KO损害了AL和CR饮食条件下的全身性甘油三酯清除。这些脂质代谢效应与白色脂肪组织中的性别和饮食特异性KO效应相关，包括脂肪细胞大小改变以及脂肪细胞脂质代谢关键调控因子表达变化。间接测热法进一步揭示，脂联素KO会改变摄食与禁食状态转换过程中碳水化合物与脂质利用之间的切换。为明确潜在分子机制，研究人员进一步考察了肝脏中的脂联素KO效应；肝脏是脂联素的重要靶器官，并在使代谢适应营养状态方面发挥关键作用。肝脏转录组学显示，在两性中，脂联素KO在AL条件下上调甾醇和脂肪酸合成相关基因，而在CR期间增加氨基酸分解代谢相关基因。然而，后一效应并未改变血浆或肝脏中的氨基酸浓度。综上所述，研究结果提示，脂联素在CR期间对葡萄糖、脂质和氨基酸代谢具有性别二态性（sexually dimorphic）作用，这种作用全部或部分通过肝脏介导。因此，脂联素在CR中的作用与其在肥胖、胰岛素抵抗及其他病理状态中被广泛报道的功能显著不同。
该文发表于《PLOS Biology》，围绕脂联素在热量限制（CR）这一生理性负能量平衡状态中的代谢作用展开系统研究。既往研究主要聚焦于肥胖和胰岛素抵抗状态，此时循环脂联素通常下降，脂联素也多被视为改善胰岛素敏感性、抑制异位脂质沉积并减轻心脏代谢损伤的保护性脂肪因子。然而，从进化与生理适应角度看，脂联素在长期能量不足时反而升高，这提示其功能并不局限于病理状态的代偿。问题在于，脂联素在CR这一其表达升高最显著的条件下，究竟是否参与机体代谢重编程、参与哪些通路、是否存在性别差异，长期以来缺乏直接证据。基于此，研究人员采用全身性Adipoq敲除小鼠，分别在雄性与雌性、自由摄食（AL）与30%热量限制条件下，系统评估体组成、葡萄糖稳态、脂质清除、底物氧化、脂肪组织表型以及肝脏转录组变化，以阐明脂联素在CR适应中的真实作用。
在研究设计上，研究人员构建了缺失Adipoq第3外显子的全身性敲除模型，从而消除编码功能性球状结构域的关键片段，并分别与同窝野生型（WT）对照比较。结果首先证实，CR可显著提高WT小鼠循环脂联素水平，雌鼠整体高于雄鼠。进一步分析表明，脂联素缺失并不改变CR所致的体重下降、脂肪量变化、瘦体重变化，也不改变CR抑制总体能量消耗的效应。这说明脂联素并非CR引发整体体成分重塑与节能反应的必需介质。
作者开展研究所用的主要技术方法包括：建立全身性Adipoq敲除小鼠并采用同窝WT对照，在9–13周龄阶段实施30% CR干预；通过TD-NMR测定体脂和瘦体重，采用口服葡萄糖耐量试验（OGTT）、口服脂质耐量试验（OLTT）、胰岛素耐量试验及甘油耐量试验评估代谢功能；利用间接测热法分析呼吸交换率（RER）与能量消耗；对白色脂肪组织进行组织学、蛋白质印迹（western blot）和qPCR分析；对肝脏进行散装RNA测序（bulk RNA-seq）、靶向脂质组学及液相色谱-串联质谱（LC–MS/MS）氨基酸检测。样本主要来源于雌雄C57BL/6N背景小鼠队列。
在结果部分，论文首先给出“Plasma adiponectin increases during CR”。该部分通过ELISA检测表明，30% CR在雄性和雌性WT小鼠中均显著提升血浆脂联素水平，为后续探究脂联素在CR中的功能提供了前提依据。
在“Adiponectin KO does not alter CR’s effects on body composition”部分，研究人员发现，尽管CR在雄鼠中降低体重、脂肪量和瘦体重，在雌鼠中主要降低体重和瘦体重，但脂联素KO并未改变这些效应，也未影响腹股沟白色脂肪组织（iWAT）、性腺白色脂肪组织（gWAT）及棕色脂肪组织（BAT）质量。该结果表明，脂联素并不决定CR诱导的整体体成分适应。
在“CR-induced decreases in blood glucose are enhanced by adiponectin KO”部分，OGTT显示脂联素KO反而增强了CR所致血糖下降，表现为空腹血糖和葡萄糖负荷总曲线下面积进一步降低。这一发现与肥胖或AL条件下脂联素缺乏通常损害葡萄糖稳态的认知相反。更重要的是，这种低血糖效应并未伴随胰岛素水平变化，也未见胰岛素敏感性指标恶化，提示其机制并非传统意义上的胰岛素依赖性改善。
在“Adiponectin KO impairs lipid clearance and utilization in males”部分，研究人员通过NEFA和OLTT检测发现，脂联素KO在两性CR小鼠中均增强了血浆非酯化脂肪酸（NEFA）升高，而在雄鼠中无论AL还是CR条件下均损害甘油三酯（TG）清除；雌鼠则未见明显脂质清除障碍。这说明脂联素对全身脂质转运和利用的调控具有显著性别差异，其中雄性更依赖脂联素维持脂质清除能力。
在“Adiponectin KO decreases adipocyte size in males and has sex-specific effects on transcript and protein expression in gWAT”部分，组织学和分子分析显示，KO对脂肪细胞大小具有性别依赖性：AL雄鼠脂肪细胞变小，并伴激素敏感性脂肪酶（HSL）磷酸化增加及Perilipin A表达升高，提示脂解增强；AL雌鼠则相反，脂肪细胞体积增大。CR状态下，KO对脂肪细胞大小和HSL活化影响不明显，但改变了Fabp4、Ppara、Cpt1a及CD36等脂质代谢相关基因表达。作者据此认为，白脂肪组织改变存在，但并不足以完全解释CR下NEFA升高和脂质清除受损。
在“During CR, adiponectin KO enhances postprandial carbohydrate utilization in males and impairs lipid oxidation in fasting females”部分，间接测热结果显示，KO不改变24 h平均RER或总能量消耗，但会影响摄食—禁食转换时底物利用的动态切换。CR雄鼠中，KO增强餐后RER上升，提示碳水化合物利用增加；CR雌鼠中，KO削弱禁食阶段RER下降，提示脂质氧化启动受损或碳水化合物氧化持续。该结果为KO导致CR下血糖下降和NEFA升高提供了系统代谢层面的解释，即脂联素有助于维持底物利用的代谢灵活性。
在“Adiponectin KO has no effect on liver mass, lipid accumulation, or sphingolipid concentrations in AL or CR-fed mice”部分，研究人员发现，虽然CR降低雄鼠肝质量并降低肝脏三酰甘油与脂滴面积，但这些指标均不受脂联素KO影响。肝脏神经酰胺（ceramides）、二氢神经酰胺（DHCs）及其比值也未因KO发生改变。这提示脂联素在生理性AL或CR条件下，对肝脏脂质蓄积和鞘脂稳态的作用有限。
在“Adiponectin KO has a major effect on lipid metabolism-related genes under AL and on amino acid catabolism-related genes under CR”部分，肝脏bulk RNA-seq揭示了本研究最重要的分子层面信息。主成分分析显示，性别和饮食对转录组的影响远大于基因型，但KO仍在不同亚组中引发大量差异表达基因。基因本体（GO）和基因集富集分析（GSEA）表明，在AL条件下，KO在两性中主要上调甾醇和脂肪酸合成相关通路；而在CR条件下，KO在两性中均显著增强氨基酸分解代谢相关基因表达。这提示脂联素在不同营养状态下对肝脏代谢程序的靶向完全不同：AL时偏向脂质合成调控，CR时偏向氨基酸代谢调控。
在“Adiponectin KO does not alter skeletal muscle mass or myofibre size”部分，研究人员检验了骨骼肌是否可能为肝脏氨基酸分解提供底物。结果表明，尽管CR降低骨骼肌质量和肌纤维横截面积，但脂联素KO并不改变这些参数，因此KO并未显著影响骨骼肌蛋白分解表型。
在“Adiponectin KO does not alter hepatic or plasma amino acid concentrations”部分，LC–MS/MS结果显示，尽管CR广泛降低血浆多种氨基酸水平，且肝脏中甘氨酸、谷氨酸等受饮食影响，但脂联素KO总体并未改变肝脏或血浆氨基酸浓度，也未影响支链氨基酸（BCAAs）水平。这表明肝脏氨基酸分解代谢相关基因的上调尚未转化为可检测的整体氨基酸池变化。
在“Adiponectin KO does not alter gluconeogenesis from glycerol during CR”部分，尽管RNA-seq提示CR雄鼠中部分糖异生相关基因表达发生改变，尤其涉及甘油代谢相关酶，但甘油耐量试验显示，KO仅在AL雄鼠中轻度损害由甘油驱动的糖异生，在CR条件下两性均无明显改变。因此，KO引起的CR期低血糖并不能简单归因于甘油糖异生受阻。
讨论部分强调，本研究从根本上修正了脂联素仅在肥胖和胰岛素抵抗中发挥保护作用的单一认知。研究显示，在CR这一脂联素升高的生理状态下，脂联素并不主导体重和能量消耗适应，而是参与调控葡萄糖、脂质与氨基酸代谢，并且高度依赖性别与营养情境。尤其值得注意的是，脂联素缺失在CR中导致轻度低血糖，而非高血糖；在雄性中显著削弱脂质清除；在两性中均增强CR诱导的NEFA升高；并在肝脏中促使氨基酸分解代谢相关基因上调。这些结果说明，脂联素在病理性过营养与生理性能量受限状态下的作用方向明显不同。论文还指出，肝脏可能是脂联素介导CR代谢适应的重要靶器官，但肾脏及其他组织的贡献仍值得进一步研究。
研究结论可概括为：脂联素在自由摄食与热量限制状态下对机体代谢具有显著不同的作用模式。在CR期间，脂联素并不决定体重、体组成或总能量消耗的变化，但会以性别依赖性方式调控葡萄糖稳态、脂质清除和底物利用切换，并在肝脏中增强对氨基酸分解代谢转录程序的约束。总体而言，脂联素在CR中的功能与其在肥胖、胰岛素抵抗及其他病理状态中的经典作用显著不同，这一发现加深了对脂联素进化功能及CR治疗性代谢效应机制的理解。
