增强子调控因子MLL4通过限制AMPK介导的燃料分解代谢控制骨骼肌代谢效率

《Nature Communications》：Enhancer regulator MLL4 controls skeletal muscle metabolic efficiency by limiting AMPK-mediated fuel catabolism

　　本研究揭示了增强子调控因子MLL4在骨骼肌代谢调控中的关键作用。研究人员发现MLL4通过转录激活AMP代谢酶NT5C1A/AMPD3限制AMPK活化，从而抑制肌肉燃料分解代谢。肌肉特异性敲除MLL4可激活AMPK，促进能量消耗，改善高脂饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗。该研究为代谢性疾病治疗提供了新靶点。

　　

在现代社会，肥胖及其相关代谢性疾病已成为全球性健康挑战。作为人体最大的代谢器官，骨骼肌在全身能量稳态调节中扮演着核心角色。骨骼肌具有显著的可塑性，能够根据营养状态和生理需求调整其代谢模式。然而，在长期热量过剩的情况下，骨骼肌代谢紊乱成为肥胖和相关代谢疾病发生的主要驱动因素。相反，运动训练通过增强骨骼肌燃料分解代谢，能有效降低代谢性疾病发生率。尽管已知AMPK（AMP活化蛋白激酶）等重要代谢调节因子在骨骼肌代谢调控中发挥关键作用，但表观遗传调控在骨骼肌代谢重组中的具体机制仍不清楚。

近日，南京大学模式动物研究所甘振继团队在《Nature Communications》上发表研究成果，揭示了组蛋白甲基转移酶MLL4（混合谱系白血病4）通过调控增强子活性，进而控制骨骼肌代谢效率的新机制。该研究首次发现MLL4作为营养状态感应器，通过限制AMPK介导的燃料分解代谢，在系统性代谢稳态维持中发挥关键作用。

研究人员采用多组学联用技术，结合基因工程小鼠模型和人类肌肉样本分析，系统阐明了MLL4的代谢调控功能。关键技术包括肌肉特异性基因敲除小鼠模型、代谢笼能量代谢监测、RNA测序和ChIP测序表观遗传分析、非靶向代谢组学、¹³C-葡萄糖示踪技术、腺相关病毒介导的基因操作以及临床肌肉活检样本验证等。人类肌肉样本来自梅奥诊所的年轻（18-30岁）和老年（65-80岁）久坐受试者队列。

肌肉MLL4受营养状态调控

研究人员首先发现，MLL4蛋白水平在禁食状态下显著降低，而在高脂饮食喂养后升高，表明MLL4作为营养状态传感器参与代谢调控。值得注意的是，Mll4 mRNA水平在这些条件下保持不变，提示MLL4蛋白受到转录后调控。

肌肉特异性MLL4缺失抵抗饮食性肥胖

通过肌肉特异性MLL4敲除（Mll4^SET MKO）小鼠模型，研究发现尽管正常饮食下无明显表型，但高脂饮食喂养的Mll4^SET MKO小鼠表现出明显的肥胖抵抗现象。这些小鼠体重增加减少，体脂含量降低， despite 摄入量无差异。间接热监测显示，Mll4^SET MKO小鼠能量消耗增加，氧耗量升高，表明其能量利用效率降低。

改善葡萄糖稳态和胰岛素敏感性

代谢表型分析显示，Mll4^SET MKO小鼠空腹血糖和胰岛素水平显著降低，胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）改善。葡萄糖耐量和胰岛素耐量试验证实，MLL4缺失增强了全身葡萄糖稳态和胰岛素敏感性。Western blotting分析进一步显示，肌肉、肝脏和脂肪组织中胰岛素刺激的AKT磷酸化水平均有所增强。

减轻肝脏脂肪变性

值得注意的是，肌肉特异性MLL4缺失还能显著改善高脂饮食诱导的肝脏脂肪变性。肝脏形态学和组织学分析显示，Mll4^SET MKO小鼠肝脏脂质积累明显减少，甘油三酯水平下降约50%。肝脏转录组分析发现，脂质代谢和炎症反应相关基因表达下调，而氧化还原相关基因表达上调。

促进肌肉燃料分解代谢

代谢组学分析揭示了MLL4缺失肌肉中的深刻代谢重编程。三羧酸循环中间产物、氨基酸代谢物和酰基肉碱水平显著升高，表明葡萄糖和脂肪酸氧化增强。同位素示踪实验进一步证实，MLL4敲低促进了¹³C-葡萄糖向糖酵解和三羧酸循环中间产物的转化。

通过AMP代谢酶调控AMPK活化

机制研究表明，MLL4与转录因子MEF2协同作用，直接调控一对AMP代谢酶基因NT5C1A和AMPD3的表达。这两种酶分别催化AMP向腺苷和IMP的转化，降低细胞内AMP水平，从而抑制AMPK活化。MLL4缺失导致NT5C1A和AMPD3表达下降，AMP/ATP比值升高，进而激活AMPK信号通路。

MLL4-MEF2调控轴的人类相关性

人类肌肉样本分析显示，老年受试者肌肉中MLL4、MEF2和AMPD3表达水平升高，且MLL4表达与空腹血糖水平呈正相关。在人类肌肉细胞中，MLL4敲低同样导致AMPD3表达下降和AMPK活化，证实该调控通路在人类中的保守性。

药理干预验证

研究人员进一步使用FDA批准的药物喷司他丁（Pentostatin）抑制AMP代谢酶活性，成功模拟了MLL4缺失的表型。喷司他丁处理激活了肌肉AMPK，改善了高脂饮食小鼠的肥胖和糖代谢异常，为代谢性疾病治疗提供了潜在策略。

该研究确立了MLL4依赖的增强子活化作为骨骼肌代谢效率调控的关键节点，通过AMP代谢酶-NT5C1A/AMPD3-AMPK轴精密调节燃料分解代谢。这一机制的阐明不仅深化了我们对骨骼肌代谢调控网络的理解，也为肥胖、糖尿病等代谢性疾病的治疗提供了新的靶点和策略。特别值得注意的是，研究发现肌肉特异性MLL4缺失在改善代谢健康的同时会导致运动耐力下降，这提示MLL4在协调运动能力与燃料代谢平衡中发挥重要作用。未来针对MLL4下游效应器的特异性调控，可能实现代谢改善与运动能力的平衡，为精准代谢治疗开辟新途径。