在生物体内所有产生热量的分子中，脂类具有最高的能量密度，这为它们能量的储存和消耗提供了巨大的优势。新生脂质合成（DNL，也叫“从头合成“），就像一座微型的 “脂肪工厂”，利用碳水化合物、氨基酸、蛋白质等原料来生产脂质，为身体储存能量、构建细胞膜等提供关键物质。

De novo lipogenesis in health and disease，Ameer, Fatima et al. Metabolism-Clinical and Experimental, Volume 63, Issue 7, 895-902

DNL主要发生在肝脏和脂肪组织中。一般来说脂质新生对全身脂质储存的贡献相对较小，但如果摄入碳水过多，超过了当下需求和储存所需，这时候脂质新生的速率会明显增加。在代谢性疾病状态下，新生脂质合成（DNL）也会普遍升高。胞质的乙酰辅酶A是DNL中心通路的共同前体，以其为靶标从而针对DNL可能是一种有效的干预方案。但DNL的底物构成网络十分复杂：一方面，TCA循环中的丙酮酸可以通过线粒体丙酮酸载体（MPC）-线粒体柠檬酸载体（CiC）轴为DNL功能，另一方面，胞质中的乙酸也可以通过乙酰辅酶A合成酶2（ACSS2）直接与辅酶A结合生成乙酰辅酶A，从而绕过线粒体转运和代谢步骤。因此，明确这些途径中的酶和底物如何相互作用以及各底物的贡献比例，是建立干预方案的前提和基础。

2024年10月，美国爱荷华大学卡佛医学院团队在Cell Metabolism上发表了题为“A hierarchical hepatic de novo lipogenesis substrate supply network utilizing pyruvate, acetate, and ketones”的研究论文，揭示了来自丙酮酸/柠檬酸和乙酸的乙酰辅酶A产生途径在DNL中的关系，同时也发现一条酮体来源的回补途径，为治疗性调节DNL的策略提供了理论信息。

研究思路

DNL：新生脂质合成；CiC：线粒体柠檬酸载体

ACSS2：乙酰辅酶A合成酶2；ACLY：ATP-柠檬酸裂解酶

MPC：线粒体丙酮酸载体；AACS：乙酰乙酸裂解酶

研究结果

1. CiC可调控肝脏的DNL​

首先构建肝脏特异性CiC敲除小鼠，通过呼吸测量实验验证了线粒体柠檬酸氧化显著减少，而丙酮酸氧化未受影响，此外高糖饮食干预未使得CiC敲除小鼠的体重发生显著变化，也排除了肥胖对代谢测试的干扰。

随后对正常和高糖饮食的CiC敲除小鼠进行体内²H2O注射，利用NMR对肝脏脂质中的氘进行追踪，以确定新生脂肪的含量。结果表明，CiC非依赖性的DNL途径可以一定程度弥补CiC的缺失，且高糖诱导的肝脏DNL增加需要CiC的参与。

2. 敲除CiC减少乳酸/丙酮酸来源的DNL

随后为了确认CiC非依赖性DNL的底物来源，分别用¹³C标记的丙酮酸和乙酸进行了代谢流检测，具体而言，研究者设计了底物竞争实验，通过腹腔注射分别给予CiC敲除小鼠[U¹³C]乳酸/丙酮酸（10:1）+未标记的乙酸盐的组合，以及未标记的乳酸/丙酮酸+[U¹³C]乙酸盐的组合，通过靶向代谢组检测分析¹³C流向和富集情况，以此观察丙酮酸和乙酸盐在DNL中的利用情况。

线粒体柠檬酸盐载体（CiC）控制肝脏从头脂肪生成（DNL）

在TCA循环中，观察到CiC敲除小鼠肝脏中柠檬酸水平增加，而下游产物水平降低，¹³C-丙酮酸的富集程度低于¹³C-乙酸盐，但来自[U¹³C] 乳酸/丙酮酸的TCA产物富集程度高于来自[U¹³C]乙酸的。此外，CiC敲除小鼠肝脏的乙酰辅酶A和丙二酰CoA总体水平没有显著变化，但¹³C示踪显示来自乳酸/丙酮酸的乙酰辅酶A略有减少。

在DNL过程中，敲除CiC导致 [U¹³C]乳酸/丙酮酸来源的¹³C脂肪酸比例均显著下调，而并未观察到来自乙酸盐的DNL回补。进一步对各脂肪酸的同位素异构体进行M+2水平的标准化，发现敲除CiC导致丙酮酸对作为DNL前体的乙酰CoA池的贡献减少，而乙酸盐的贡献增加。

CiC敲除减少来自乳酸/丙酮酸来源的DNL，但不减少乙酸来源的DNL

3. ACSS2介导的乙酸旁支无法回补CiC的缺失

基于上述结果，接下来评估乙酸分流能否作为CiC敲除后的乙酰辅酶A来源。构建肝脏ACSS2特异性敲除的小鼠模型后，进行平行的¹³C标记底物竞争实验。

进一步地构建了CiC+ACSS2双肝脏特异性敲除小鼠，观察到与CiC敲除小鼠相似的柠檬酸累积现象；确定ACSS2的敲除减少来自乙酸来源的DNL，但不减少乳酸/丙酮酸来源的DNL。

ACSS2的敲除减少来自乙酸来源的DNL，但不减少乳酸/丙酮酸来源的DNL

4. 乙酰辅酶A的另一来源：ACLY旁支

在排除了乙酸旁支后，研究者考虑胞质柠檬酸是否通过非TCA循环生成乙酰辅酶A。考虑到ACLY（ATP-柠檬酸裂解酶）可以利用除线粒体外其他来源的柠檬酸，因此构建了ACLY肝脏敲除小鼠重复上文所述的平行¹³C标记实验。

鉴于TCA循环和ACLY具有明显不同的代谢效应，研究者同时敲除小鼠的CiC和ACLY，继续重复平行¹³C标记实验。

以上结果表明，ACLY在控制细胞总乙酰辅酶A方面对TCA循环具有代谢上位性，二者协同调控来自丙酮酸的DNL。

ACLY敲除从乳酸/丙酮酸来源减少DNL

5. MPC位于TCA和ACLY的上游

鉴于敲除CiC和ACLY在DNL过程中的相似性，研究者考虑线粒体丙酮酸通过MPC作为二者上游的作用。结果显示，MPC敲除导致乳酸和丙酮酸含量增加，而TCA产物大多减少，其中来自乳酸/丙酮酸的¹³C富集减少，而乙酸来源的不受影响；此外，敲除MPC使得乙酰辅酶A含量增加，丙二酰辅酶A含量减少，其中乳酸/丙酮酸来源的乙酰辅酶A标记减少，导致总¹³C脂肪酸富集降低，程度超过CiC或ACLY敲除；从DNL蛋白酶水平来看，MPC敲除小鼠中ACLY、ACC和FASN的水平降低，而CiC敲除小鼠中这些酶上调。

MPC敲除同时减少来自乳酸/丙酮酸和乙酸的DNL

6. 除此之外还存在酮体来源的互补途径

由于丙酮酸和乙酸代谢无法完全解释DNL底物的冗余现象，研究者探索了其他可能的途径。早期研究表明酮体可作为DNL的底物。禁食处理下CiC敲除小鼠肝脏中AACS转录水平增加，而ACAT2转录水平不变，提示乙酰乙酸来源的胞质乙酰CoA生成可能上调。为验证此假设，研究者创建了AACS和ACAT2肝脏特异性敲除小鼠，并追踪了[U¹³C]-乙酰乙酸在DNL中的利用。进一步证实了AACS在乙酰乙酸生成DNL中的特异性作用。

在高生理极化状态下，研究者假设酮体来源的DNL可能不依赖柠檬酸-丙酮酸循环（CiC）。通过对CiC敲除小鼠进行高脂饮食喂养及¹³C-乙酰乙酸追踪实验，发现外源性及亮氨酸生成的酮体通过AACS途径为肝脏DNL提供底物，且破坏线粒体柠檬酸转运能上调酮体喂养的DNL。

线粒体-细胞质DNL网络结构

研究结论

本研究通过广泛的¹³C示踪代谢流技术和肝脏特异性基因敲除技术，研究了肝脏新生脂肪生成（DNL）中乙酰辅酶A的来源途径和贡献比重。结果表明：

1. 线粒体丙酮酸载体（MPC）和ATP-柠檬酸裂解酶（ACLY）是肝脏生成乙酰辅酶A的重要调控者；乙酰辅酶合成酶2（ACSS2）与之并行工作。

2. 此外，还存在一条酮体来源的互补途径，当TCA循环受阻时，乙酰乙酸来源的乙酰辅酶A水平上升，维持DNL。

参考文献

A hierarchical hepatic de novo lipogenesis substrate supply network utilizing pyruvate, acetate, and ketones. Cell Metab. 2024.

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