下丘脑神经酰胺的失调与控制能量和葡萄糖稳态的神经元通路的破坏有关。然而，促进肥胖症神经元脂毒性的特定神经酰胺种类仍然不清楚。
基于此，2023年11月29日德国马克斯·普朗克代谢研究所Jens C. Brüning研究团队在Nature communications杂志发表了“CerS6-dependent ceramide synthesis in hypothalamic neurons promotes ER/mitochondrial stress and impairs glucose homeostasis in obese mice”揭示了肥胖小鼠下丘脑神经元中CerS6依赖的神经酰胺合成促进内质网/线粒体应激，损害葡萄糖稳态。
在这里，作者发现在体外暴露于棕榈酸盐的培养下丘脑神经元和肥胖小鼠的下丘脑中，产生C16：0的神经酰胺合酶6（CerS6）的表达增加。下丘脑神经元中CerS6的有条件缺失可以减弱高脂饮食（HFD）依赖性的体重增加，并改善葡萄糖代谢。具体来说，表达类固醇生成因子1（SF-1）的神经元中CerS6的缺失改变了进食行为，并减轻了HFD喂养对胰岛素敏感性和葡萄糖耐量的负面代谢影响。表达前脑啡黑细胞促素皮促素（POMC）细胞选择性缺失CerS6可以防止饮食诱导的线粒体形态的改变，并提高细胞对瘦素的敏感性。该研究揭示了CerS6衍生的神经酰胺在下丘脑脂肪毒性、线粒体动力学改变和内质网/线粒体应激在肥胖患者食物摄入和糖代谢失调中的作用。
神经酰胺已经成为葡萄糖和能量稳态的调节因子，为了研究肥胖患者的下丘脑中是否有特定的神经酰胺物种被解除调控，作者通过实时定量PCR分析来自肥胖和糖尿病动物模型的下丘脑提取物，评估了不同CerSs的mRNA表达。此外，分析了C57BL/6 N小鼠，这些小鼠已通过HFD喂养16周诱导肥胖和胰岛素抵抗，或接受低脂对照饮食。饮食诱导的肥胖小鼠中CerS6转录水平的升高转化为下丘脑CerS6蛋白表达的升高。与对照组相比，HFD喂养小鼠下丘脑中C16：0神经酰胺和其他神经酰胺、鞘磷脂和己基神经酰胺的含量增加。在两种关键的神经酰胺物种中，下丘脑中的C16：0水平与动物的体重呈正相关。考虑到下丘脑的细胞异质性，分析了不同下丘脑细胞及其神经酰胺产物在不同下丘脑细胞类型中的表达。从常规食物喂养的成年小鼠的下丘脑分离细胞和分离的神经元和非神经元细胞部分，然后对这两个部分进行神经酰胺定量。为了进一步揭示小鼠下丘脑中个体CerS基因的细胞类型特异性表达谱，测定了CerS1-6的转录水平。
CerS1和CerS3在所有下丘脑细胞簇中的表达水平相对较低。CerS2、CerS4和CerS5在几种不同的细胞类型中均可检测到表达，其中CerS2是在少突胶质细胞中富集，CerS6转录本主要出现在神经元簇中。这些观察结果表明，与其他细胞类型相比，HFD喂养小鼠下丘脑中C16:0神经酰胺水平和CerS6表达的增加主要是由于神经元的调节，表明CerS6衍生的C16:0神经酰胺在肥胖下丘脑神经元中的关键作用。
作者试图研究CerS6依赖的神经酰胺形成在下丘脑神经元在这些过程中的具体作用。为此，使用了胚胎小鼠-N43/5细胞系，该细胞系被广泛用作模拟下丘脑神经元生理学的体外系统。通过棕榈酸盐孵育使这些细胞的脂肪酸过量，反映了肥胖和代谢综合征中下丘脑神经元暴露的环境条件。CerS mRNA表达的测定显示，N43/5细胞中棕榈酸处理后CerS6转录本特异性增加，其他CerS mRNA仍未受影响，特别是CerS5。与CerS6表达升高相一致，棕榈酸盐暴露后C16：0神经酰胺水平升高。在N43/5细胞中，敲除CerS6减弱了编码xbox结合蛋白1的mRNA剪接的棕榈酸盐依赖性增加。剪接Xbp1编码一种转录因子，促进内质网未折叠蛋白反应相关蛋白的表达，并已被证明将下丘脑神经元的内质网应激与能量平衡和葡萄糖稳态联系起来。与Xbp1剪接减少一致，CerS6的缺失减弱了棕榈酸诱导的内质网应激标记基因Ddit3转录本的上调。棕榈酸盐诱导N43/5细胞的ER/线粒体应激，而且导致平均线粒体纵横比显著下降，表明线粒体网络更加分散。以上结果表明，棕榈酸刺激CerS6依赖性C16:0神经酰胺合成，从而促进下丘脑神经元中的ER/线粒体应激和线粒体断裂，同时降低线粒体生物能活性；这可能导致体内下丘脑神经元响应脂肪酸过量而发生内质网/线粒体可塑性和功能的改变，从而导致肥胖症的负面代谢后果。
在CerS6ΔNkx2.1小鼠的大脑、肝脏和性腺白色脂肪组织中，CerS6的转录水平保持相似。同时，CerS1和CerS5在下丘脑中的表达保持不变，表明CerS6ΔNkx2.1小鼠的下丘脑CerS6的表达成功且有特异性的修饰。与对照组相比，随着mRNA表达量的降低，CerS6ΔNkx2.1小鼠的下丘脑中CerS6蛋白水平明显降低。为了研究饮食诱导肥胖发展过程中的代谢特征，CerS6ΔNkx2.1小鼠及其对照组小鼠在3周龄时开始接受HFD喂养，然后分析体重增加、肥胖、能量平衡和葡萄糖代谢。CerS6的缺失减弱了暴露于HFD的小鼠的体重增加，与对照组相比，HFD喂养的CerS6ΔNkx2.1小鼠的肥胖减少，CerS6ΔNkx2.1小鼠的肥胖减少可能是由于能量消耗的增加。此外，在葡萄糖耐量试验中，特别是CerS6ΔNkx2.1小鼠在夜间禁食后，表现出更好的胰岛素敏感性和降低血糖水平的能力改善。这些代谢增强只能限于喂食HFD的小鼠，而正常饲料喂养的CerS6ΔNkx2.1小鼠没有显示出胰岛素敏感性的变化，只有糖耐量改善的趋势。这些数据表明，基因抑制小鼠下丘脑神经元中CerS6依赖的神经酰胺合成，可以减轻饮食诱导的肥胖和与肥胖相关的葡萄糖代谢损伤。
下丘脑神经元中CerS6的缺失减轻了饮食诱导的肥胖和葡萄糖处理缺陷。作者接下来进一步确定CerS6来源的神经酰胺影响代谢控制的特定下丘脑神经元群体。考虑到VMH在这一过程中的关键作用，以及CerS6在VMH神经元中的表达，研究依赖于CerS6的C16：0神经酰胺合成是否会在VMH的代谢相关神经元中发挥作用。对缺失CerS6的动物及其对照组进行了HFD喂养，没有观察到CerS6ΔSF-1雄性小鼠和对照组之间的体重增加和肥胖的显著差异。与对照组相比，CerS6ΔSF-1雌性小鼠的肥胖发展减弱。由于下丘脑中神经酰胺的积累与VMH中的内质网应激有关，导致BAT生热和能量消耗减少，作者进行了间接量热法测量来评估CerS6ΔSF-1的代谢率小鼠喂食HFD的雌性和雄性CerS6ΔSF-1小鼠在环境温度下表现出适度的能量消耗增加趋势。在暴露于6°C的温度下，与对照组相比，雄性CerS6ΔSF-1小鼠的能量消耗明显增加。CerS6ΔSF-1雄性的食物摄入量减少，而雌性的食物摄入量没有减少。虽然SF-1神经元中CerS6缺乏的雌性小鼠表现出肥胖的减少，但它们并没有显示出葡萄糖代谢的显著改善。相比之下，雄性CerS6ΔSF-1小鼠的胰岛素敏感性和葡萄糖耐量显著增强。作者测量了HFD喂养的雄性和雌性小鼠的血清皮质酮水平，在CerS6ΔSF-1动物中没有改变。总的来说，VMH中表达SF-1的神经元中CerS6依赖的神经酰胺合成控制着葡萄糖代谢。
综上，该研究强调了酰基链长度神经酰胺特异性调节下丘脑神经元代谢稳态的关键作用，CerS6在这一过程中发挥了关键作用，这表明它参与了营养转换过程中的食欲和代谢率控制。过量使用HFD会提高下丘脑中的CerS6和C16：0神经酰胺的含量，导致全身葡萄糖代谢和能量平衡受损。靶向下丘脑中CerS6依赖的神经酰胺合成为肥胖和糖尿病愈疗提供了希望。
文章来源
https://doi.org/10.1038/s41467-023-42595-7
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