非酒精性脂肪肝（non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD）在全球的发病率达到了25%，引发的病变从单纯的脂肪变性到脂肪型肝炎、肝纤维化和肝硬化【1】。NAFLD病情恶化的个体间风险差异很大，而且只有少部分人受到影响【2】，但是考虑到其发病率很高，NAFLD被认为是导致晚期肝病的主要病因。关于NAFLD的一个重要发现是PNPLA3磷脂酶的遗传突变I148M导致了个体的遗传易感性，整体发病率高达30%-50%。该突变携带人群就占肝硬化患者的11%，并且该突变导致的NAFLD与代谢综合征相关的NAFLD不同，与底物过量和肥胖无关，也不会改变胰岛素敏感性【3,4】。尽管已经发现了PNPLA3的I148M突变与NAFLD之间的关系，但是对于I148M突变是如何导致NAFLD的发病机制仍然未知。
近日，来自美国耶鲁大学医学院的Panu K. Luukkonen研究组在Cell Metabolism上发表了文章The PNPLA3 I148M variant increases ketogenesis and decreases hepatic de novo lipogenesis and mitochondrial function in humans，该研究报道了PNPLA3 I148M突变体的纯合携带者具有线粒体功能障碍的特征，该类人群肝脏中酮体生成明显增加和脂肪合成减少；这些结果对开发治疗脂肪肝的精准医学方法具有重要的意义。
PNPLA3是一种主要在肝脏和脂肪组织中表达的脂筏蛋白，负责将甘油三酯中的不饱和脂肪酸转移到磷脂中，而I148M突变会损害这一功能。由于脂肪肝是脂肪酸合成和分解途径失调的结果，所以作者首先对PNPLA3的I148M突变携带者的脂肪从头合成途径（de novo lipogenesis, DNL）和酮体生成途径进行研究。该临床报告中共招募了19位I149M纯合突变携带者，以及36位非突变携带者（对照组），并且保证这些受试人员的年龄、性别、BMI、空腹血糖、非酯化脂肪酸（non-esterified fatty acid, NEFA）和血清胰岛素水平处于一致的状态。通过最先进的稳定同位素技术，研究I148M组和对照组人群的各项肝脏指标。
作者的研究发现，I148M组的肝内甘油三酯含量明显更高，然而该组人群的肝脏DNL速率却明显降低。胰岛素是肝脏DNL的关键调节因子，但是在I148M组中肝脏DNL速率与血清胰岛素浓度没有相关性，这就表明存在了其他的机制引起了肝脏的DNL和甘油三酯差异。由于肝脏DNL与肝脏脂肪酸氧化和酮体生成有着千丝万缕的联系，所以作者进一步分析了I148M组的线粒体脂肪酸β氧化和酮体生成的情况。与对照组相比，I148M组血浆中β羟丁酸的浓度都要明显更高，不论是在何种NEFA（酮体生产前体）的情况下；此外，通过在受试者膳食中添加13C标记的脂肪酸，可以追踪发现I148M组的13C-β羟丁酸含量也显著高于对照组。这些数据表明I148M携带者可以利用内源和外源的脂肪酸产生更多的酮体。
在肝脏线粒体中，酮体、β羟丁酸和乙酰乙酸由乙酰CoA合成，而乙酰CoA是脂肪酸通过β氧化产生的，因此肝脏线粒体的氧化还原状态可由β羟丁酸和乙酰乙酸的比例来估算。为此，作者测定了餐前和餐后I148M和对照组血浆中β羟丁酸和乙酰乙酸的浓度及其比值，研究发现餐后I148M组血浆中β羟丁酸和乙酰乙酸的浓度以及比值都明显升高。这些结果表明，I148M突变除了升高脂肪酸β氧化和酮体生成，还能增加肝脏线粒体的氧化还原状态。
考虑到I148M突变对于肝脏酮体代谢的显著影响，作者接着对受试者进行6天的生酮饮食，研究发现经过6天的高脂、低碳水化合物的饮食之后，I148M组受试者原本较高的肝脏内甘油三酯含量得到了改善。这意味着与对照组相比，在生酮饮食期间I148M组进行了更多的肝脏内甘油三酯的消耗，而这一发现与生酮饮食后I148M组血浆中β羟丁酸浓度高于对照组有关。最后，作者测定了肝脏线粒体丙酮酸羧化酶（VPC）和柠檬酸合成酶（VCS）的代谢速率，经过6天的生酮饮食后，两组都表现出VPC/ VCS的比值升高，但是I148M组的升高水平更显著，而这一比值的升高是由于VCS的下降导致的。作为三羧酸循环的限速步骤，柠檬酸合成酶合成的柠檬酸是DNL的前体，因此VCS的明显下降可以解释I148M组肝脏DNL速率明显降低的原因，并且这条途径不受到血清中胰岛素的含量影响。
总的来说，这篇临床报告揭示了纯合PNPLA3的I148M突变携带者会出现肝脏线粒体功能障碍，导致DNL降低和碳向酮体的转化。这些发现有助于理解PNPLA3变体更加容易导致肝病发展的原因。
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.10.008
1. Loomba R, Friedman SL, Shulman GI. Mechanisms and disease consequences of nonalcoholic fatty liver disease. Cell. 2021;184(10):2537-2564.
2. Romeo S, Sanyal A, Valenti L. Leveraging Human Genetics to Identify Potential New Treatments for Fatty Liver Disease. Cell Metab. 2020;31(1):35-45.
3. Romeo S, Kozlitina J, Xing C, et al. Genetic variation in PNPLA3 confers susceptibility to nonalcoholic fatty liver disease. Nat Genet. 2008;40(12):1461-1465.
4. Luukkonen PK, Qadri S, Ahlholm N, et al. Distinct contributions of metabolic dysfunction and genetic risk factors in the pathogenesis of non-alcoholic fatty liver disease. J Hepatol. 2022;76(3):526-535.
