動(dòng)物脂肪組織的分化起源

滑留帥，王 璟，李明勛，孫曉梅，楊東英，陳 宏＊

引言

動(dòng)物脂肪組織是機(jī)體重要的器官，主要負(fù)責(zé)能量的儲(chǔ)存和代謝，同時(shí)分泌多種脂肪細(xì)胞因子（adipokines）參與機(jī)體生理功能的調(diào)控。脂肪組織有兩種形態(tài)，白色脂肪（white adipose tissue，WAT）和棕色脂肪（brown adipose tissue，BAT）。白色脂肪是動(dòng)物機(jī)體的主要脂肪類型，分布于全身各處，如皮下、內(nèi)臟、肌間等。白色脂肪細(xì)胞的特征是細(xì)胞內(nèi)含有一個(gè)大的單室脂滴，同時(shí)是一個(gè)活躍的分泌器官。棕色脂肪的組織學(xué)特征與白色脂肪有很大的差異，它主要由含多室脂滴的脂肪細(xì)胞組成，并且含有大量的線粒體，棕色脂肪組織集中分布在機(jī)體的脊柱、鎖骨和腎上腺周圍區(qū)域，主要參與機(jī)體的適應(yīng)性產(chǎn)熱［1］。白色脂肪形成于懷孕后期，但在產(chǎn)后脂肪體積才迅速增加，有一點(diǎn)例外的是，動(dòng)物的皮下脂肪主要在子宮時(shí)期增加，可能是為了維持出生后的體溫恒定。機(jī)體脂肪組織的分布在一生中是處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化之中的，白色脂肪的數(shù)量在青春期會(huì)大量增加，但是到了成年機(jī)體脂肪含量相對(duì)穩(wěn)定。如果成年個(gè)體處在高營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，脂肪細(xì)胞的體積和數(shù)量也會(huì)迅速增加，但是在減肥的過(guò)程中，一般僅僅與脂肪細(xì)胞的體積減少有關(guān)，而脂肪細(xì)胞的數(shù)目變化不大［2］。當(dāng)機(jī)體逐漸衰老的時(shí)候，脂肪就會(huì)慢慢喪失其功能，并且會(huì)從皮下慢慢向內(nèi)臟和其他位點(diǎn)聚集，包括骨髓、肌肉、肝臟等。這些變化與代謝綜合癥往往密切相關(guān)聯(lián)。一生之中脂肪組織都在不斷自我更新，前體脂肪細(xì)胞約占到脂肪組織中15%～50%的比例。隨著逐漸衰老，前脂肪細(xì)胞逐漸失去增殖和分化的能力，讓機(jī)體更多的暴露在自由脂肪酸（free fatty acids，F(xiàn)FA）的脂毒性中，從而誘導(dǎo)跟年齡相關(guān)聯(lián)的脂肪炎癥，脂肪組織炎癥能夠進(jìn)一步減少脂肪的生成，而加劇機(jī)體中的脂毒性，進(jìn)而加劇前脂肪細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的炎癥反應(yīng)，最終形成一個(gè)自反饋環(huán)，導(dǎo)致機(jī)體功能的喪失［3］。由于脂肪組織的功能紊亂與人類的肥胖病、糖尿病以及代謝綜合癥密切相關(guān)，多年以來(lái)機(jī)體脂肪組織的細(xì)胞分化起源一直是研究的熱點(diǎn)。

1 脂肪分化起源研究的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

脂肪生成的第一步是胚胎干細(xì)胞分化為間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）。MSCs具有多分化潛能，在適當(dāng)?shù)拇碳は逻€可以分化前脂肪細(xì)胞、成肌細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞或成骨細(xì)胞等。其中前脂肪細(xì)胞在脂肪分化因素的刺激下能夠進(jìn)一步分化為成熟的脂肪細(xì)胞［4］。為了分析從MSCs到成熟脂肪細(xì)胞的調(diào)控模式，人們?cè)O(shè)計(jì)了多種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)解決這個(gè)問(wèn)題。最常用的是Fabp4基因啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的脂肪組織特異性基因表達(dá)模型，或者Fabp4基因啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)Cre重組酶，進(jìn)而生成脂肪組織特異性敲除基因模型。但是這樣的模型最大的缺點(diǎn)是，由于FABP4以PPRAg依賴的方式表達(dá)于脂肪細(xì)胞分化的晚期，所以不能用于研究早期影響脂肪分化的基因。支系追蹤（lineage－tracing）研究很好的解決了這一問(wèn)題，它借助于Cre－lox系統(tǒng)，可以用于研究細(xì)胞群在短的時(shí)間內(nèi)曾經(jīng)表達(dá)過(guò)哪些重要的基因。例如，在一個(gè)轉(zhuǎn)基因鼠中敲入黃色熒光蛋白（yellow fluorescent protein，YFP），這個(gè)黃色熒光蛋白由Rosa26啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)，并且在YFP編碼區(qū)的上游加入一個(gè)由loxP包圍起來(lái)的終止密碼子，所以在正常情況下，盡管Rosa26啟動(dòng)子有活性也不能驅(qū)動(dòng)黃色熒光蛋白的表達(dá)。在另一個(gè)轉(zhuǎn)基因小鼠中敲入Cre重組酶，該重組酶由 Myf5（myogenic factor 5）基因的啟動(dòng)子啟動(dòng)，用于指示細(xì)胞在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)曾經(jīng)表達(dá)過(guò)Myf5。兩種轉(zhuǎn)基因鼠雜交后，新生小鼠的組織中如果曾經(jīng)瞬時(shí)或長(zhǎng)久表達(dá)過(guò)Myf5就會(huì)發(fā)出黃色熒光，原理是Myf5啟動(dòng)子的瞬時(shí)激活就能誘導(dǎo)Cre重組酶的產(chǎn)生，Cre重組酶能夠?qū)ⅫS色熒光蛋白前面的終止密碼子去除，從而在Rosa26啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄激活下，表達(dá)黃色熒光蛋白［5］。在這些實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，人們得以發(fā)現(xiàn)機(jī)體各個(gè)組織中不同細(xì)胞類型的分化起源。

2 白色脂肪、棕色脂肪和肌肉細(xì)胞的分化起源

白色脂肪、棕色脂肪和肌肉組織都來(lái)源于MSCs［5］，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直以為白色脂肪和棕色脂肪的分化起源更加親近，但新的研究表明肌肉和棕色脂肪的前體細(xì)胞都能表達(dá)早期肌肉標(biāo)記基因Myf5，而白色脂肪的前體細(xì)胞則不表達(dá)。同時(shí)Pax7基因（paired－box 7，Pax7）敲除小鼠研究表明，棕色脂肪和肌肉的前體細(xì)胞還都能夠在胚胎期10.5d表達(dá)Pax7基因。在棕色前體脂肪細(xì)胞中敲除鋅指轉(zhuǎn)錄共調(diào)控因子 PRDM16（PR domain－containing 16）能夠誘導(dǎo)肌肉相關(guān)基因的表達(dá)并促進(jìn)骨骼肌的形成［6］。這些研究都表明白色脂肪和棕色脂肪在早期發(fā)育階段有著不同的前體細(xì)胞，同時(shí)棕色脂肪與肌肉的分化支系更加親近。在冷刺激或β－腎上腺素信號(hào)的刺激下，白色脂肪能夠展現(xiàn)一定的棕色脂肪的特征，如表達(dá) UCP1（uncoupling protein 1）。白色脂肪組織中新形成的棕色脂肪細(xì)胞與棕色脂肪組織中的棕色脂肪細(xì)胞的發(fā)育形式是不同的，這說(shuō)明白色脂肪組織能夠響應(yīng)這些刺激從而將白色脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)化為棕色脂肪細(xì)胞，或者經(jīng)歷了全新的棕色脂肪細(xì)胞分化［7］。

3 脂肪組織和肌肉組織中的前體脂肪細(xì)胞的鑒定

之前從形態(tài)上來(lái)區(qū)成纖維狀的前脂肪細(xì)胞和非前脂肪細(xì)胞幾乎是不可能的。隨著流式細(xì)胞儀、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型和干細(xì)胞表面標(biāo)志抗原識(shí)別等技術(shù)的發(fā)展，使我們可以從白色脂肪組織的基質(zhì)血管組分（stromal vascular fraction，SVF）中分離出前體脂肪細(xì)胞和能夠分化為多個(gè)支系（內(nèi)皮細(xì)胞，脂肪，軟骨和骨等）的間充質(zhì)干細(xì)胞。這些細(xì)胞終生都存在，用于更換衰老的脂肪細(xì)胞或者等營(yíng)養(yǎng)充足時(shí)增加脂肪細(xì)胞的數(shù)量。其中來(lái)自脂肪組織基質(zhì)的造血細(xì)胞支系（Lin－：CD29＋：CD34＋：Sca－1＋：CD24＋）能夠在體外自發(fā)的進(jìn)行脂肪分化。但是這個(gè)支系不能重建自由采食的野生型小鼠的脂肪組織，僅能夠在脂肪萎縮小鼠和高脂日糧飼喂的野生型小鼠中重建脂肪塊。原因可能是這些移植的前體脂肪細(xì)胞如果增殖的話，需要一個(gè)能夠支持前脂肪細(xì)胞分化和增殖的微環(huán)境。在脂肪萎縮的組織和快速增殖的脂肪塊中存在這樣的環(huán)境，而在正常飼喂的野生小鼠中不存在［8］。而對(duì) 應(yīng) 的 一 個(gè) CD24－細(xì) 胞 支 系 （Lin－：CD29＋：CD34＋：Sca－1＋：CD24－），也能夠在體外分化為脂肪細(xì)胞，但是不能夠在脂肪萎縮或高脂日糧飼喂的小鼠體內(nèi)重構(gòu)脂肪塊。說(shuō)明這群CD24－細(xì)胞支系在體內(nèi)與CD24＋細(xì)胞支系的功能并不相同。之前有許多研究直接使用混合的SVF做分化研究，可能過(guò)高的估計(jì)了這樣的混合細(xì)胞群體的活體分化潛能。

一直以來(lái)人們都把肌衛(wèi)星細(xì)胞當(dāng)做是肌內(nèi)脂肪的前體脂肪細(xì)胞，隨著研究的進(jìn)展，人們能夠通過(guò)細(xì)胞表面抗原將肌衛(wèi)星細(xì)胞進(jìn)一步細(xì)分，結(jié)果顯示肌內(nèi)脂肪的前體細(xì)胞有別于肌衛(wèi)星細(xì)胞。利用衛(wèi)星細(xì)胞的標(biāo)志SM／C－2.6可以把衛(wèi)星細(xì)胞分離開(kāi)，在培養(yǎng)的細(xì)胞中，SM／C－2.6＋細(xì)胞群能夠高效的分化為骨骼肌細(xì)胞，但是即便在脂肪分化的培養(yǎng)基中也不能形成脂肪細(xì)胞，說(shuō)明衛(wèi)星細(xì)胞并不是脂肪前體細(xì)胞。而SM／C－2.6－細(xì)胞群體能夠表達(dá)PDGFRa，所以稱為PDGFRa＋間充質(zhì)前體細(xì)胞，在肌肉來(lái)源的細(xì)胞類群中，只有PDGFRa＋能夠高效分化為脂肪細(xì)胞。在活體移植試驗(yàn)中表明，只有SM／C－2.6＋細(xì)胞能夠再生肌纖維，而只有PDGFRa＋細(xì)胞能夠分化成脂肪細(xì)胞。這些結(jié)果說(shuō)明PDGFRa＋間充質(zhì)前體細(xì)胞是骨骼肌中異位脂肪沉積的主要來(lái)源。成熟的肌肉細(xì)胞與PDGFRa＋間充質(zhì)前體細(xì)胞間存在互作，由肌衛(wèi)星細(xì)胞分化來(lái)的肌纖維能夠顯著抑制PDGFRa＋的成脂分化，而PDGFRa＋細(xì)胞的分化對(duì)肌肉生成有抑制作用，其增值能夠以劑量依賴的方式促進(jìn)肌肉生成［9，10］。

肌肉細(xì)胞來(lái)源的PDGFRa＋細(xì)胞與白色脂肪組織來(lái)源的脂肪前體細(xì)胞（adipocyte progenitors，APs）的細(xì)胞表面標(biāo)志特征很相似［11］。但是PDGFRa＋細(xì)胞與APs的關(guān)系仍然不清楚。相對(duì)PDGFRa＋細(xì)胞來(lái)講，APs具有更大的分化潛能，能夠分化成為更多其它的間充質(zhì)細(xì)胞支系，但PDGFRa＋細(xì)胞和APs都能夠在體內(nèi)分化形成脂肪組織，兩者都與血管相關(guān)聯(lián)。APs表達(dá)周細(xì)胞的標(biāo)志而PDGFRa＋細(xì)胞不表達(dá)。另外，APs中大部分都是PPARg＋細(xì)胞，年輕小鼠的肌肉中并沒(méi)有PPARg＋細(xì)胞，但老年小鼠的肌肉細(xì)胞中存在PPARg＋細(xì)胞。但是老年小鼠骨骼肌中的PPARg＋細(xì)胞并不表達(dá)平滑肌actin（smooth muscle actin），表達(dá)平滑肌actin則是脂肪組織來(lái)源的PPARg＋細(xì)胞的標(biāo)志。這些都說(shuō)明肌肉細(xì)胞來(lái)源的PDGFRa＋細(xì)胞與色脂肪組織來(lái)源的脂肪前體細(xì)胞可能是不同的細(xì)胞類型，他們的不同可能由各自組織微環(huán)境的不同而造成［10］。

4 脂肪前體細(xì)胞的其它來(lái)源

動(dòng)物機(jī)體的各個(gè)組織都含有具有脂肪分化潛能的前體細(xì)胞，其中骨髓組織是間充質(zhì)干細(xì)胞和造血干細(xì)胞的重要來(lái)源。盡管骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞不參與循環(huán)，但擁有間充質(zhì)干細(xì)胞特征的造血干細(xì)胞則能夠離開(kāi)骨髓轉(zhuǎn)運(yùn)到其他組織中去。因此，我們推測(cè)一部分的脂肪組織可能由骨髓來(lái)源的前體細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來(lái)，這樣的推測(cè)在試驗(yàn)中得到了證實(shí)［12］。另外，研究表明小鼠胚胎干細(xì)胞來(lái)源的神經(jīng)上皮細(xì)胞也能夠分化為脂肪細(xì)胞，說(shuō)明胚胎的神經(jīng)外胚層也有可能成為脂肪細(xì)胞的分化來(lái)源［13，14］，這些結(jié)果都進(jìn)一步說(shuō)明了機(jī)體脂肪組織分化起源的復(fù)雜性［15］。

展望

脂肪組織是一個(gè)復(fù)雜的分泌器官，其對(duì)于調(diào)控機(jī)體的能量平衡和生理功能具有重要的作用。動(dòng)物脂肪組織的生成受到內(nèi)外諸多因素的協(xié)同作用，在闡釋脂肪組織分化起源的研究上還需要更多的工作，例如白色脂肪組織中前體脂肪細(xì)胞如何動(dòng)態(tài)變化，白色脂肪組織在冷刺激條件下如何生成棕色脂肪，冷刺激生成的棕色脂肪的前體脂肪細(xì)胞是什么，肌肉組織中的前體脂肪細(xì)胞如何動(dòng)態(tài)變化，肌肉組織中前體脂肪細(xì)胞定向分化的微環(huán)境是什么，機(jī)體還有那些細(xì)胞能夠分化成為脂肪細(xì)胞，機(jī)體每個(gè)部位的前體脂肪細(xì)胞有何異同。通過(guò)解決這些問(wèn)題來(lái)進(jìn)一步研究動(dòng)物脂肪組織的分化起源，有助于我們理解機(jī)體脂肪沉積的具體機(jī)制，從而為治療脂肪代謝相關(guān)疾病以及提高動(dòng)物肉品品質(zhì)提供理論依據(jù)。

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