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脂肪组织在动物体内能量代谢和免疫应答中起重要作用。褪黑素是一种主要由松果体分泌调控中枢系统和外周组织生物钟节律的神经激素。研究表明生物钟节律基因参与脂肪细胞增殖、分化、脂代谢和细胞凋亡等生物学过程调控,生物钟节律紊乱也与脂肪组织稳态失衡密切相关,但褪黑素在其中的调控作用尚不清楚。本研究利用褪黑素(Melatonin)处理小鼠脂肪组织和原代脂肪细胞,探究其对脂肪细胞增殖和生物钟节律的影响,阐明Melatonin调控脂肪细胞和巨噬细胞间互作的外泌体途径,解析Melatonin调控脂肪细胞炎症反应和细胞焦亡的分子机制。获得以下主要研究结果:1.褪黑素通过调控脂肪细胞生物钟节律促进脂肪细胞增殖。Melatonin显著提高生物钟节律基因Bmal1和Clock等表达和节律性振幅,增加EDU阳性细胞比例,促进细胞增殖关键基因c-Myc和Cyclin E节律性表达;同时,Melatonin提高Clock结合c-Myc启动子区E-box结构,转录调控c-Myc进而促进脂肪细胞增殖;此外,Clock、c-Myc和HDAC3形成蛋白复合体,在Melatonin促进脂肪细胞增殖中也发挥重要作用;Melatonin通过调控Clock等生物钟节律基因缓解高脂肥胖和节律紊乱中的脂肪细胞增殖抑制。2.褪黑素促进脂肪细胞外泌体中α-酮戊二酸(α-KG)传递,抑制脂肪细胞炎症反应。Melatonin抑制肥胖引起的脂肪细胞IL-6、TNFα和IL-1β等炎症因子表达,提高TCA循环中关键中间产物Citrate和α-KG含量;转录组测序结果表明TCA循环中关键基因Idh2参与Melatonin抑制脂肪组织炎症,Melatonin促进Idh2表达和活性、增加脂肪细胞内α-KG水平,激活Tet双加氧酶家族介导的DNA去甲基化过程,抑制脂肪细胞炎症反应;此外,Melatonin提高脂肪细胞外泌体中α-KG含量传递至巨噬细胞,促进M2巨噬细胞极化,缓解脂肪细胞炎症;利用生物钟节律紊乱模型发现Melatonin缓解节律紊乱引起的脂肪组织炎症反应。3.褪黑素抑制炎症反应引起的脂肪细胞焦亡。转录组解析Melatonin调控脂肪细胞炎症的相关基因,发现NLRP3炎性小体信号和NF-κB信号通路显著富集;Melatonin抑制NLRP3、ASC和Caspase1、IL-1β等炎症因子表达,减少LPS诱导的细胞死亡;Melatonin降低Caspase1介导的TUNEL阳性细胞比例和LDH分泌,此过程不依赖Caspase3活化;Melatonin抑制细胞焦亡关键因子GSDMD表达,缓解脂肪细胞焦亡;Melatonin抑制NF-κB信号通路激活及核转位,进而抑制下游炎症关键因子IRF7表达。综上所述,本研究探明了褪黑素通过生物钟节律基因和Clock/HDAC3/c-Myc信号促进脂肪细胞增殖的分子机制,解析了褪黑素激活α-KG介导的DNA去甲基化及外泌体传递途径缓解脂肪细胞炎症的作用机制,揭示了褪黑素抑制NLRP3炎性小体信号和GSDMD介导的细胞焦亡的调控机制,最终阐明褪黑素维持脂肪细胞正常生物学功能的重要作用,为深入研究脂肪组织生物钟节律调控奠定分子基础,为新品种选育和肉品质改良提供重要理论基础。