撰文 | 章台柳
责编 | Qi
肥胖是重要的公共健康问题。棕色和米色脂肪细胞产热可以减少肥胖和心脏代谢疾病的发生。脂肪细胞选择性肌酸清除将损伤产热过程并促进饮食诱导的肥胖，具有较高的脂肪堆积和较低的能量消耗，与敲除肌酸转运体Slc6a8和生物合成酶Gatm的表型相似。肌酸激酶催化ATP的一个磷酸基转移给肌酸，哺乳动物中有4个编码肌酸激酶的基因，具有不同的组织选择性表达和亚细胞定位【1】。线粒体的肌酸激酶可利用氧化磷酸化形成的ATP对肌酸进行磷酸化。这种活性将释放与肌酸量成比例的ADP，即肌酸和ATP与磷酸肌酸和ADP呈严格的1:1的化学计量关系。通过无效的肌酸循环（futile creatine cycle） ，肌酸促进过量的ADP释放，从而驱动脂肪细胞的产热呼吸【2】。调控无效的肌酸循环可能需要两种蛋白：1）肌酸激酶，催化线粒体ATP的磷酸基转移给肌酸，同时产生磷酸肌酸和ADP；2）磷酸酶，水解磷酸肌酸再生成肌酸，确保进行下一轮的磷酸化循环。不过，调控这种产热循环的两种蛋白目前还没有鉴定出来。
近日，来自加拿大麦吉尔大学的Lawrence Kazak团队在Nature杂志发表题为Creatine kinase B controls futile creatine cycling in thermogenic fat的文章，研究发现CKB（肌酸激酶B）序列中包含一个线粒体内部靶向序列进入线粒体，对于脂肪细胞中无效的肌酸循环产生的产热是必不可少的。小鼠和人脂肪细胞中，CKB被热刺激强烈诱导。脂肪细胞选择性缺失失活CKB则导致小鼠产热能力下降，肥胖的倾向增加，葡萄糖稳态被破坏。因此，CKB是无效肌酸循环的关键效应因子。
研究人员首先验证棕色脂肪细胞具有强烈的肌酸激酶活性，外加肌酸导致细胞内磷酸化肌酸的含量显著增加。定量蛋白组学显示，CKB是棕色脂肪细胞中含量最丰富的肌酸激酶亚型。棕色前脂肪细胞中缺失Ckb导致细胞内磷酸肌酸的显著减少，而肌酸的积累增加。即棕色脂肪细胞中，CKB是主要的肌酸激酶。将小鼠暴露于6℃或30°C的环境温度，寒冷导致棕色脂肪组织 （BAT） 或细胞中Ckb的mRNA和蛋白都显著增加，且BAT中肌酸激酶的活性是30°C处理的3倍。脂肪细胞的产热通路一般是受cAMP的调控，cAMP通常是β3-肾上腺素能信号的下游。药物抑制β3-肾上腺素受体导致BAT中CKB的显著增加。在人类脂肪细胞中也观察到类似的现象，即人和小鼠脂肪细胞中，CKB的丰度受到cAMP的调控。既然产热信号调控CKB的表达，那么CKB是否调控脂肪细胞的能量消耗？敲低棕色脂肪的Ckb导致基础耗氧量下降，去甲肾上腺素刺激下基础耗氧量依然下降，同时Ckb缺失对2，4-二硝基苯酚 （DNP） 介导的解偶联没有影响，而抑制线粒体ATP的合成导致Ckb缺失细胞和对照细胞之间呼吸差异消失。即CKB调控线粒体ATP的转换。
定量蛋白组分析显示，CKB是原代棕色脂肪细胞线粒体中含量最丰富的肌酸激酶亚型，且CKB的C端与定位于线粒体外膜的TOM20共定位。体外和体内的实验表明，CKB定位于线粒体的内膜上。CKB的氨基酸序列包含了一段假定的iMTS-L序列，有利于靶向线粒体，突变iMTS-L序列阻断CKB定位在线粒体内膜。
产热脂肪细胞中发生无效肌酸循环，CKB是否参与无效肌酸循环？表达CKB的棕色脂肪细胞线粒体发生无效肌酸循环，而Ckb缺失则不能。同时，Ucp1+脂肪细胞或pan-脂肪细胞特异性失活Ckb导致β3-肾上腺素受体诱导的全身能量消耗增加，氧气消耗量下降，即脂肪细胞的CKB调控产热过程。pan-脂肪细胞特异性失活Ckb导致小鼠体重增加更多。能量均衡条件下，pan-脂肪细胞特异性失活Ckb导致小鼠总能量消耗较少，代谢效率更高，BAT和皮下脂肪组织积累更多脂质；同时高脂饮食条件下，增加空腹血糖水平，损伤葡萄糖耐受，降低胰岛素敏感性。
总的来说，研究鉴定出CKB对于无效肌酸循环接到的产热是必不可少的，同时揭示了CKB定位于线粒体进行作用的机制，为我们通过靶向产热过程治疗肥胖和代谢性疾病提供了参考。
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03221-y
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参考文献
1. Wallimann, T., Wyss, M., Brdiczka, D., Nicolay, K. & Eppenberger, H. M. Intracellular compartmentation, structure and function of creatine kinase isoenzymes in tissues with high and fluctuating energy demands: the ‘phosphocreatine circuit’ for cellular energy homeostasis.Biochem. J.281, 21–40 (1992).
2. Kazak, L. et al. A creatine-driven substrate cycle enhances energy expenditure and thermogenesis in beige fat.Cell163, 643–655 (2015).