线粒体脂肪酸β-氧化（fatty acid β-oxidation, FAO）是长链脂肪酸分解利用的重要代谢通路，也是维持全身能量稳态的重要环节。在饥饿或其他代谢应激状态下，脂肪酸作为重要能量底物主要通过FAO被氧化利用，这一过程对心脏、骨骼肌和肾脏等高代谢需求器官尤为重要。既往研究显示，肾脏FAO缺陷与肾纤维化及横纹肌溶解相关急性肾损伤有关，肾小管上皮细胞FAO受损可驱动肾纤维化。在肾纤维化过程中，肾脏微血管内皮细胞在维持组织灌注、滤过屏障和肾小管-血管相互作用中同样起着关键作用，其中内皮细胞损伤及内皮-间质转化（endothelial-to-mesenchymal transition, EndoMT）被认为参与纤维化重塑。然而，肾脏血管内皮细胞FAO受损是否会影响内皮稳态并参与肾脏病理过程仍未被充分阐明。
近日，Emory University Jianhua Xiong团队在Life Metabolism期刊发表题为Endothelial CPT2 loss impairs fatty acid oxidation and promotes renal fibrosis的研究论文。该研究显示，FAO来源的acetyl-CoA不仅是能量代谢中间产物，也可能作为代谢信号分子，通过影响acetyl-CoA依赖的乙酰化调控参与内皮细胞身份维持、EndoMT样改变及肾纤维化过程。在既往关注肾小管上皮FAO的基础上，这一发现为全面理解慢性肾脏损伤的代谢机制提供了新的实验依据。
长链脂肪酸需通过由肉碱棕榈酰转移酶1（carnitine palmitoyltransferase 1, CPT1）和肉碱棕榈酰转移酶2（CPT2）介导的肉碱穿梭系统进入线粒体后进行β-氧化。其中，位于线粒体内膜的CPT2是长链脂肪酸线粒体氧化利用的关键酶。为了界定内皮细胞FAO的作用，研究团队构建了血管内皮细胞特异性Cpt2基因敲除小鼠模型（Cpt2E-KO）。由于静息状态下内皮细胞的基础能量需求主要依赖糖酵解，Cpt2敲除后细胞ATP水平并未显著下降。然而，CPT2缺失的内皮细胞在棕榈酸（palmitate）刺激下不能正常提高氧耗，提示其长链脂肪酸氧化能力受损。同时，这些细胞激活EndoMT相关转录程序，表现为Cd44、Cdh2、Zeb2等间质相关标志物上调，重新表达CPT2则可抑制这些标志物的表达。这些结果提示，血管内皮FAO受损对细胞表型的影响并不主要体现为基础能量不足，而是可能通过代谢信号调控影响内皮细胞身份维持和EndoMT样改变。
进一步机制研究表明，FAO受损可能通过降低乙酰辅酶A（acetyl-CoA）的可利用性促进EndoMT样改变。FAO分解长链脂肪酸可产生acetyl-CoA，后者不仅参与三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle, TCA cycle），也是蛋白乙酰化修饰的重要乙酰基供体。Cpt2缺失导致细胞内acetyl-CoA水平下降，可能进一步影响组蛋白和非组蛋白的乙酰化状态，从而调控EndoMT及纤维化相关转录程序。外源性补充乙酸盐（acetate）可通过乙酰辅酶A合成酶短链家族成员2（ACSS2）途径补充acetyl-CoA，并部分抑制EndoMT相关标志物表达，提示恢复acetyl-CoA可利用性可能有助于缓解FAO受损引起的内皮表型改变。
在Cpt2E-KO小鼠中的谱系追踪结果显示，部分内皮谱系细胞共表达间质标志物α-SMA，提示体内存在部分EndoMT样过程。与此同时，研究人员观察到肾损伤分子1（kidney injury molecule-1, KIM-1）在mRNA和蛋白水平均升高；13-16月龄雄性小鼠Masson染色显示肾脏胶原沉积面积增加，提示纤维化重塑；10-14月龄小鼠尿白蛋白/肌酐比值轻度升高（<30 μg/mg），与早期白蛋白尿和慢性肾损伤进展相一致。需要注意的是，尿白蛋白/肌酐比值升高在雄性小鼠中更明显，而雌性小鼠未见显著变化，提示内皮FAO缺陷相关肾脏表型可能具有性别差异。
为评估上述机制在人源内皮细胞中的相关性，研究团队在人肾小球微血管内皮细胞（human glomerular microvascular endothelial cells, HGMECs）中敲低CPT2。结果显示，CPT2敲低后线粒体形态发生变化，连续性下降并出现碎片化增加。同时，内皮细胞标志物及细胞连接相关分子CD31染色强度下降，伴有细胞间连接完整性受损，内皮活化及炎症相关基因（IL6、CCL2、VCAM1、ICAM1）表达上调。与此同时，血管生成素2（angiopoietin-2, ANGPT2）表达增加，提示血管稳定性受损。乙酸盐补充可部分抑制这些炎症相关转录反应，支持acetyl-CoA可利用性参与调控内皮炎症和结构完整性。
综上所述，研究团队提出了肾纤维化过程中的新工作模型：肾脏血管内皮细胞CPT2缺失导致长链脂肪酸FAO受损，进而降低acetyl-CoA可利用性，扰动acetyl-CoA依赖的乙酰化调控，激活EndoMT样程序，最终损害内皮结构和屏障完整性，并促进肾脏炎症、损伤和纤维化重塑。乙酸盐作为一种短链脂肪酸，可通过ACSS2途径补充acetyl-CoA，因此作为恢复acetyl-CoA可利用性的代谢补充策略具有探索价值。本研究从内皮细胞代谢角度拓展了肾纤维化机制研究，也为进一步探索基于FAO-acetyl-CoA轴的慢性肾脏病干预策略提供了实验依据。
原文链接：https://doi.org/10.1093/lifemeta/loag017
制版人：十一
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