動物白色脂肪組織棕色化的調(diào)控機制

溫 佳,王一民，葛 靜，譚 婧，李 鵬，張 康，史新娥

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 動物科技學(xué)院 動物脂肪沉積與肌肉發(fā)育實驗室，陜西 楊凌 712100)

肥胖是我國進入21世紀(jì)以來最大的健康問題，它會誘發(fā)多種代謝性疾病，如脂肪肝、2 型糖尿病、心血管疾病、特定類型的癌癥、視網(wǎng)膜病變、關(guān)節(jié)炎，嚴(yán)重的會誘發(fā)心肌梗死和腦卒中等。哺乳動物體內(nèi)的白色脂肪主要用于儲存能量，而棕色脂肪則可以通過非戰(zhàn)栗性產(chǎn)熱來燃燒脂肪，使機體溫度保持恒定，因此，在棕色脂肪的分化通路上進行調(diào)控, 使棕色脂肪組織生成增加或促使白色脂肪向棕色脂肪轉(zhuǎn)化可能為治療肥胖提供一個比較有效的方法。本文主要通過對控制白色脂肪組織棕色化的轉(zhuǎn)錄因子、分泌因子、miRNA、調(diào)控信號通路進行總結(jié)，為其在畜牧業(yè)及醫(yī)學(xué)的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 脂肪組織的分類

脂肪組織是機體內(nèi)重要的能量儲存庫[1]，其在能量儲存中的作用使得脂肪細(xì)胞更適合于能量平衡的調(diào)節(jié)，脂肪組織也可作為維持體內(nèi)葡萄糖穩(wěn)態(tài)的一種關(guān)鍵的整合系統(tǒng)[2]。哺乳動物體內(nèi)根據(jù)脂肪組織不同的顏色和功能可分為三類：白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)、棕色脂肪組織(brown adipose tissue，BAT)和米色脂肪(beige cell)。

1.1 白色脂肪組織

目前機體脂肪組織中最主要的是白色脂肪，其起源也早于棕色脂肪[3]。白色脂肪的主要功能是以甘油三酯的形式儲存能量，甘油三酯在細(xì)胞液中呈大脂滴狀態(tài)。白色脂肪可分泌大量的激素及細(xì)胞因子(脂肪)影響其他組織進而調(diào)節(jié)整體的能量平衡。若白色脂肪過多，激素和細(xì)胞因子的分泌增多，可使代謝平衡紊亂，并引起一些相關(guān)病癥，如胰島素抵抗癥和2型糖尿病[4]。

1.2 棕色脂肪組織

棕色脂肪主要存在于哺乳動物體內(nèi)，Cypess等[5]證明了人體內(nèi)也存在BAT，約占成人脂肪組織的10%。棕色脂肪來源于生肌決定因子5(myogenic factor 5，Myf5)陽性祖細(xì)胞[6]。

棕色脂肪是哺乳動物非顫栗性產(chǎn)熱的場所[7]，可以燃燒脂肪，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能維持體溫[8]。通過產(chǎn)熱或消耗葡萄糖和清除血液中的甘油三酯來消耗能量進而預(yù)防肥胖[1]；棕色脂肪大量表達(dá)解偶聯(lián)蛋白1(uncoupling protein 1，UCP-1)，其可解偶聯(lián)線粒體氧化磷酸化，促進游離脂肪酸代謝，從而消耗機體過剩的能量[4]。除此之外，棕色脂肪細(xì)胞也可分泌在白色脂肪細(xì)胞中大量存在的激素和細(xì)胞因子，比如抵抗素，其可增強胰島素耐受性。

1.3 米色脂肪

機體受到冷刺激之后，白色脂肪組織中會出現(xiàn)棕色樣脂肪細(xì)胞(brown-like adipocyte)，這個過程被稱為“白色脂肪棕色化”。出現(xiàn)在WAT區(qū)域的棕色樣脂肪細(xì)胞與棕色脂肪組織不同，其更接近于白色脂肪細(xì)胞譜系。出現(xiàn)在WAT的棕色脂肪細(xì)胞通常被稱為米色脂肪細(xì)胞[7，9]。

米色脂肪細(xì)胞在未激活前類似于白色脂肪細(xì)胞，具有低水平表達(dá)的UCP-1，受到冷刺激或長時間去甲腎上腺素刺激時，脂滴發(fā)生變化，與棕色脂肪一樣，在環(huán)腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)的刺激下，表達(dá)高水平的UCP-1，并提高了呼吸頻率[9]。因此，米色脂肪同棕色脂肪在功能上相似，均可消耗脂肪，減輕體重，改善新陳代謝，并有助于提高葡萄糖耐受性和增強胰島素敏感性。

2 調(diào)控白色脂肪棕色化的關(guān)鍵因子

白色脂肪棕色化是一個復(fù)雜的過程，受到多種轉(zhuǎn)錄因子、分泌蛋白及微小RNA(microRNA，miRNA)的調(diào)控。

2.1 轉(zhuǎn)錄因子

在動物白色脂肪棕色化過程中， PR結(jié)構(gòu)域家族的第16個成員(PR domain-containing 16，PRDM16)、過氧化物酶體增殖激活受體γ輔激活因子1(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1，PGC-1)、過氧化物酶增殖物激活受體-γ(peroxisome proliferator-activated receptor-γ，PPAR-γ)、同源盒基因c10(homeobox c10，Hoxc10)和脂肪組織中分化抑制子1(inhibitor of differentiation -1，Id1)等關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮重要作用。

與白色脂肪細(xì)胞相比，PRDM16在棕色脂肪細(xì)胞中高度表達(dá)，是調(diào)節(jié)BAT分化的重要轉(zhuǎn)錄因子[10]。當(dāng)PRDM16在白色脂肪細(xì)胞的祖細(xì)胞中表達(dá)時，可激活棕色脂肪型的解偶聯(lián)呼吸作用，并且PGC-1α、UCP-1、Ⅱ型脫碘酶基因(type 2 deiodinase gene，Dio2)的表達(dá)量也會顯著增加[10]。研究表明，棕色脂肪前體細(xì)胞缺失PRDM16，會引起棕色脂肪特性損耗，并促進肌肉分化，敲除PRDM16后會發(fā)生棕色脂肪形態(tài)異常，產(chǎn)熱基因表達(dá)減少并且肌肉特異性基因表達(dá)升高[11]。PRDM16還可與其他轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合進而調(diào)節(jié)其活性，如PRDM16-CCAAT/增強子結(jié)合蛋白β(C/EBP-β)復(fù)合物可誘導(dǎo)成肌細(xì)胞的前體細(xì)胞分化為棕色脂肪細(xì)胞[12]。另外，其他轉(zhuǎn)錄因子也可以通過調(diào)控PRDM16的表達(dá)來調(diào)節(jié)白色脂肪棕色化。Hoxc10在白色脂肪組織中表達(dá)，可通過抑制PRDM16的表達(dá)來抑制白色脂肪棕色化，降低小鼠在寒冷條件下的產(chǎn)熱能力[13]。Patil等[14]研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)Id1會導(dǎo)致小鼠肥胖，進一步研究表明，Id1可降低PGC-1α的轉(zhuǎn)錄活性，抑制PRDM16和UCP-1的表達(dá)，從而抑制了白脂棕色化，降低小鼠的產(chǎn)熱能力。

PGC-1是細(xì)胞中一種重要的轉(zhuǎn)錄因子家族，包括PGC-1α、PGC-1β和PGC-1相關(guān)共激活因子(PGC-1-related coactivator，PRC)三種，在維持血糖、血脂和能量平衡方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[15]。研究表明，敲除小鼠體內(nèi)的PGC-1α之后，小鼠會發(fā)生產(chǎn)熱障礙[16]。但也有實驗表明，PGC-1α缺失不會減少棕色脂肪細(xì)胞的分化，只是顯著減少產(chǎn)熱標(biāo)志基因的表達(dá)[17]。同時，PGC-1α在細(xì)胞分化誘導(dǎo)線粒體合成中發(fā)揮重要作用，視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白(retinoblastoma protein，pRb/RB/RB1)和視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤樣蛋白1(retinoblastoma-like protein 1，RBL1)可調(diào)節(jié)PGC-1α的表達(dá)進而調(diào)控白色脂肪和棕色脂肪細(xì)胞的分化[18]。另外，PRDM16-CCAAT/增強子結(jié)合蛋白α(C/EBP-α)主要是維持PPAR-α的表達(dá)，促進脂肪細(xì)胞的棕色化，而PPAR-γ受腎上腺素刺激后，可控制細(xì)胞內(nèi)UCP-1的表達(dá)，促進棕色脂肪細(xì)胞的分化[12]。

2.2 分泌因子

多項研究結(jié)果表明，成纖維細(xì)胞生長因子21(fibroblast growth factor 21，F(xiàn)GF21)、鳶尾素(Irisin)、白介素-6(Interleukin 6，IL-6)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)、含纖連蛋白III域結(jié)合蛋白5(fibronectin Type III domain containing 5，F(xiàn)NDC5)等分泌蛋白參與白色脂肪組織棕色化的過程。

FGF21參與糖代謝、胰島素敏感性和生酮作用，進行體內(nèi)的代謝調(diào)控。研究表明，產(chǎn)熱激活后，棕色脂肪組織是血液循環(huán)中FGF21的來源[19]。FGF21能夠促進白色脂肪中產(chǎn)熱基因的表達(dá)，并通過PGC-1α促進腹股溝白色脂肪棕色化[19]。小鼠缺乏 FGF21會使其適應(yīng)寒冷的能力受損，減少白脂棕色化的發(fā)生。脂肪源性 FGF21以自分泌或旁分泌的方式增加 UCP-1和其他產(chǎn)熱基因在脂肪組織中的表達(dá)，提高PGC-1α的表達(dá)水平[20]。

Irisin是一種分泌性蛋白，能刺激UCP-1的表達(dá)，降低體重，改善糖代謝[21-22]，同時，還可促使白色脂肪細(xì)胞中PPAR-α mRNA表達(dá)[23]，誘導(dǎo)皮下白色脂肪組織轉(zhuǎn)化為棕色脂肪組織，從而增加機體能量代謝，改善機體胰島素敏感性。FNDC5是一種纖連蛋白，可促進白色脂肪組織中UCP-1的表達(dá)[24]。并且FNDC5可通過剪切和修飾形成Irisin，進而增加棕色脂肪的形成。

Brandt等[25]研究發(fā)現(xiàn)，IL6在運動條件下可調(diào)節(jié)脂肪組織中PPAR-γ的表達(dá)。Knudsen等[26]研究表明，在小鼠體內(nèi)重復(fù)注射IL-6可顯著增加UCP-1mRNA的表達(dá)量。說明在運動調(diào)控白色脂肪棕色化過程中，IL-6起著至關(guān)重要的作用。

BMPs在脂肪形成中發(fā)揮著重要作用。BMP4和BMP7可誘導(dǎo)PGC-1α和PRDM16表達(dá)，提高UCP-1的表達(dá)量，促進棕色脂肪細(xì)胞的形成，并且可提高線粒體的生物學(xué)活性[27]。Qian等[28]的研究表明，敲除小鼠體內(nèi)的BMP4會導(dǎo)致白色脂肪組織增加及胰島素敏感性下降。Whittle等[29]研究發(fā)現(xiàn)， BMP8b參與下丘腦AMPK活性的調(diào)節(jié)，給予BMP8b中樞治療可增加交感神經(jīng)BAT活性，BMP8b-/-小鼠產(chǎn)熱受損，因而代謝率降低。

除此之外，三碘甲狀腺原氨酸(T3)可以促進UCP-1的表達(dá)，Lahesmaa等[30]研究表明，甲狀腺激素和腎上腺激素通路相關(guān)，甲狀腺功能亢進時可增強腎上腺素的作用，進而誘導(dǎo)棕色脂肪的形成。

2.3 miRNA

部分miRNA通過調(diào)節(jié)PRDM16和C/EBP-β來控制棕色脂肪細(xì)胞的分化。研究發(fā)現(xiàn)，在寒冷環(huán)境中，miR-133表達(dá)量會顯著降低，而PRDM16表達(dá)量升高，棕色脂肪含量顯著上升，說明miR-133可抑制PRDM16的表達(dá)，因而通過抑制miR-133和肌細(xì)胞增強因子2(myocyte Enhancer Factor 2，MEF2)的活性可促進白色脂肪向棕色脂肪的轉(zhuǎn)化[31-32]。miR-155則是通過抑制C/EBP-β和PGC-1α的表達(dá)，進而抑制棕色脂肪細(xì)胞的形成。此外，miR-139b-365也是棕色脂肪細(xì)胞形成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，其可促進PRDM16的表達(dá)，誘導(dǎo)棕色脂肪細(xì)胞的形成[33]。

3 調(diào)控白色脂肪棕色化的信號通路

3.1 β腎上腺素信號通路

β3腎上腺素受體(β3-adrenoceptor，β3-AR)主要分布于脂肪組織中，促進WAT分解，調(diào)節(jié)機體脂肪穩(wěn)態(tài)。Brondani等[34]研究發(fā)現(xiàn)，敲除β3-AR的小鼠在寒冷條件下UCP-1的表達(dá)量明顯下降，說明β3腎上腺素信號通路可以誘導(dǎo)UCP-1的表達(dá)，調(diào)控棕色脂肪細(xì)胞的分化，促進白色脂肪棕色化。Ahmadian等[35]證實，β3受體激動劑能增加細(xì)胞內(nèi)cAMP的含量，促進甘油三酯的水解，而缺乏甘油三酯水解酶將會導(dǎo)致棕色脂肪組織中出現(xiàn)白色脂肪。叉頭框基因C2(forkhead box C2，F(xiàn)OXC2)是叉頭轉(zhuǎn)錄超因子家族中的一員，在脂肪組織中表達(dá)量豐富。過FOXC2基因可以上調(diào)β3-AR的活性，增加細(xì)胞內(nèi)cAMP的表達(dá)，從而誘導(dǎo)UCP-1和PGC-1α的表達(dá)量增加[36]，說明FOXC2可以誘導(dǎo)白色脂肪棕色化。環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase-2，COX2)位于WAT中β腎上腺素能信號通路下游，Vegiopoulos等[37]證實，在寒冷條件下，抑制小鼠體內(nèi)COX2的活性，白色脂肪組織中的UCP-1表達(dá)減少。進一步研究表明，WAT中COX2的過表達(dá)可誘導(dǎo)白色脂肪向棕色脂肪的轉(zhuǎn)化，增加機體能量消耗，調(diào)節(jié)機體代謝平衡。

3.2 ERK通路及p38/MAPK-ATF2-PGC-1α通路

重組蛋白Irisin能通過p38 絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase，p38/MAPK)和胞外信號相關(guān)激酶(ERK)通路促進WAT中棕色脂肪特異性標(biāo)志基因的表達(dá)，如可上調(diào)UCP-1的表達(dá)量。Zhang等[22]通過研究發(fā)現(xiàn)，這種作用可能是由于Irisin誘導(dǎo)了p38/MAPK和ERK信號通路磷酸化。通過SB203580(Alexis biochemical,Switzerland)抑制p38/MAPK通路，并通過神經(jīng)元特異性磷酸烯醇化酶(U0126)抑制EPK通路后，通過Irisin介導(dǎo)的UCP-1的上調(diào)反應(yīng)會終止[38]。因此，p38和ERK通路在棕色脂肪組織的形成中扮演著重要的角色。另外，過表達(dá)BMP4能誘導(dǎo)白色脂肪棕色化也與p38/MAPK-ATF2-PGC-1α通路有關(guān)[28]。

3.3 AMPK信號通路

腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)通過αKG的作用誘導(dǎo)棕色脂肪的形成，Yang等[39]研究發(fā)現(xiàn)，抑制AMPKα1(PRKAA1)的活性會降低PRDM16的表達(dá)進而抑制BAT的形成。Shan等[40]通過研究表明，肌肉生長抑素(myostatin，MSTN)敲除小鼠發(fā)生了白色脂肪棕色化，棕色脂肪標(biāo)志性基因UCP-1和PGC-1α的表達(dá)量顯著增加，且其發(fā)生棕色化不是由細(xì)胞自主控制的，而是由肌肉生長抑素缺失的骨骼肌分泌的FNDC5所驅(qū)動，在該肌肉中，MSTN-/-導(dǎo)致AMPK表達(dá)量增加，并且顯著磷酸化，隨后激活PGC-1α和FNDC5，進而促進MSTN-/-小鼠的白色脂肪棕色化。

4 小 結(jié)

棕色脂肪可以通過產(chǎn)熱來消耗機體過剩的能量，增強胰島素耐受性，并且在維持機體新陳代謝方面也發(fā)揮著重要作用。在畜牧業(yè)上，有望通過增加動物體內(nèi)棕色脂肪的含量進而預(yù)防動物代謝性疾病的發(fā)生，為提高幼畜成活率提供理論依據(jù)。對于人類來說，肥胖已成為21世紀(jì)以來最大的健康問題，它會誘發(fā)多種代謝性疾病，給人類帶來了極大的困擾，但研究表明成人體內(nèi)棕色脂肪細(xì)胞含量相對較低，限制了機體對于部分疾病的抵抗力，因此，增加棕色脂肪細(xì)胞的分化，促進白色脂肪棕色化，闡明其轉(zhuǎn)化機制可為肥胖及其代謝并發(fā)癥的治療打開新思路。