棕色脂肪因子與代謝性疾病

王雪 朱惠娟 龔鳳英

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，北京協(xié)和醫(yī)院內(nèi)分泌科，國家衛(wèi)生健康委員會內(nèi)分泌重點(diǎn)實(shí)驗室，協(xié)和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心 100730

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，機(jī)體的脂肪組織包括白色脂肪組織(WAT)和棕色脂肪組織(BAT)。自從1998年，Coleman等發(fā)現(xiàn)脂肪組織能分泌瘦素以來，WAT不再被認(rèn)為僅僅是一個能量存儲的器官，而是能分泌600多種生物活性物質(zhì)(統(tǒng)稱為脂肪細(xì)胞因子)的內(nèi)分泌器官[1-2]。哺乳動物的BAT主要用于非顫栗性產(chǎn)熱，通過促進(jìn)糖和脂肪酸氧化，維持機(jī)體能量平衡。研究發(fā)現(xiàn)，在寒冷刺激下或者β3腎上腺素能受體激動劑處理后，小鼠WAT中會出現(xiàn)散在的棕色樣脂肪細(xì)胞，具有產(chǎn)熱和耗能的作用，將其命名為brite或者beige細(xì)胞，之后的研究發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)beige細(xì)胞同樣具有產(chǎn)熱功能[3- 4]。因BAT分泌的瘦素、脂聯(lián)素等白色脂肪因子很少，其分泌功能直到最近才被認(rèn)識。由經(jīng)典的棕色脂肪細(xì)胞和beige細(xì)胞分泌的脂肪細(xì)胞因子統(tǒng)稱為棕色脂肪細(xì)胞因子(Brown adipokines，也稱為“batokines”)，這些因子既可以作用于棕色脂肪細(xì)胞本身(自分泌作用)，又可以作用于鄰近的其他細(xì)胞(旁分泌作用)，也可以分泌進(jìn)入血液循環(huán)到達(dá)遠(yuǎn)距離的靶器官而發(fā)揮作用(內(nèi)分泌作用)[5]。本文將對BAT的內(nèi)分泌功能及其在代謝性疾病中的作用介紹如下。

1 BAT內(nèi)分泌功能的發(fā)現(xiàn)

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，BAT僅在嬰幼兒體內(nèi)發(fā)揮產(chǎn)熱作用，而后通過PET-CT發(fā)現(xiàn)，成人鎖骨上存在BAT，且具有改善代謝的作用。以往認(rèn)為，BAT調(diào)節(jié)代謝的作用僅依賴于解耦聯(lián)蛋白(UCP)1的解耦聯(lián)產(chǎn)熱作用。隨著研究的深入，該觀點(diǎn)逐漸被重新認(rèn)識。通過遺傳學(xué)基因介導(dǎo)的方法阻斷小鼠BAT的發(fā)育，發(fā)現(xiàn)與野生型對照組小鼠相比，BAT發(fā)育被阻斷的小鼠變得食欲旺盛、出現(xiàn)肥胖表型。如果BAT改善代謝的能力僅來源于UCP1介導(dǎo)的產(chǎn)熱作用，那么，僅阻斷UCP1后，小鼠應(yīng)該出現(xiàn)類似的代謝表型。然而，Enerb?ck等[6]發(fā)現(xiàn)，阻斷UCP1的小鼠只表現(xiàn)為耗氧減少與產(chǎn)熱減少，并未出現(xiàn)食欲旺盛和肥胖?？梢娕c單純UCP1缺失相比，BAT發(fā)育被阻斷小鼠出現(xiàn)的代謝異常程度更為嚴(yán)重。這兩個實(shí)驗結(jié)果提示，BAT除了具有UCP1介導(dǎo)的產(chǎn)熱耗能作用外，可能還具有其他影響代謝作用的方式或者途徑[7]。

進(jìn)一步動物實(shí)驗研究表明，BAT還具有分泌多種肽類以及非肽類細(xì)胞因子的功能，這些因子既可以作用于棕色脂肪細(xì)胞本身，促進(jìn)或抑制棕色脂肪細(xì)胞產(chǎn)熱；也可作用于鄰近的其他細(xì)胞，如血管上皮細(xì)胞及神經(jīng)細(xì)胞，增加BAT中的神經(jīng)和血管分布[8]。1985年，Silva等首次利用動態(tài)示蹤的方法，發(fā)現(xiàn)寒冷狀態(tài)下，BAT是血漿T3的主要來源。1987年，F(xiàn)ernandez等測定小鼠腹主動脈與Sulzer靜脈中的T3濃度，通過計算腹主動脈與流出肩胛間BAT的靜脈中T3的含量差值，進(jìn)一步證實(shí)BAT分泌T3入血。自此，BAT的內(nèi)分泌功能被揭示并逐漸受到關(guān)注。此后，數(shù)個BAT移植實(shí)驗陸續(xù)證實(shí)了BAT通過分泌諸如成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)21、神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白(NRG)4、白細(xì)胞介素-6(IL-6)及胰島素樣生長因子-1(IGF-1)等諸多棕色脂肪因子，作用于遠(yuǎn)距離器官，從而改善機(jī)體代謝[5]。

2 具有內(nèi)分泌功能的棕色脂肪因子

2.1 T3T3是首個被發(fā)現(xiàn)并證實(shí)具有內(nèi)分泌功能的棕色脂肪因子。血漿中大部分T3來源于甲狀腺外T4脫碘，該過程依賴于脫碘酶的存在。Ⅰ型脫碘酶存在于肝臟及腎臟中，受丙基硫氧嘧啶(PTU)抑制，Ⅱ型脫碘酶存在于BAT中，不受PTU的抑制。使用甲狀腺切除的小鼠(排除甲狀腺自身分泌的T3的影響)對BAT是否為血漿T3的主要來源進(jìn)行動態(tài)示蹤研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在室溫狀態(tài)下，經(jīng)PTU處理的小鼠血漿T3含量低于對照組(未經(jīng)PTU處理)，說明PTU通過抑制Ⅰ型脫碘酶進(jìn)而抑制肝臟與腎臟中T3的分泌。將PTU處理后的小鼠置于4℃環(huán)境下，其血漿T3濃度是室溫下對照組的3倍以上。說明寒冷環(huán)境下，BAT中的Ⅱ型脫碘酶被激活，將T4脫碘轉(zhuǎn)化為T3，分泌入血。此外，Villarroya等[9]通過計算小鼠腹主動脈與流出肩胛間BAT的Sulzer靜脈中T3含量的差值，進(jìn)一步證實(shí)BAT具有分泌T3的內(nèi)分泌功能。并發(fā)現(xiàn)無論在室溫亦或寒冷狀態(tài)下，Sulzer靜脈中T3含量均顯著高于腹主動脈中的T3含量，血液流經(jīng)肩胛間BAT后T3含量顯著升高，說明BAT能夠分泌T3入血，當(dāng)短期暴露于寒冷環(huán)境下，小鼠動、靜脈中T3含量差值可以提高約3倍，BAT分泌的T3達(dá)到每日總T3的一半，進(jìn)一步證實(shí)BAT具有分泌T3入血的作用，而且這一作用在寒冷刺激下更強(qiáng)。

2.2 FGF21 FGF21是一種脂肪代謝調(diào)節(jié)因子，具有促進(jìn)細(xì)胞攝取葡萄糖以及促進(jìn)胰島素分泌的功能。常溫下，肝臟是分泌FGF21的主要器官，但機(jī)體受到寒冷刺激后，肝臟FGF21表達(dá)下調(diào)，同時，血漿FGF21含量反而升高，提示在寒冷刺激下，存在肝臟以外的其他器官分泌大量FGF21。體外實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，去甲腎上腺素、cAMP及異丙腎上腺素可使已分化的棕色脂肪細(xì)胞中FGF21 mRNA水平升高，促進(jìn)FGF21基因表達(dá)。進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞培養(yǎng)基中FGF21含量也顯著升高，提示棕色脂肪細(xì)胞可以合成和分泌FGF21[10]。此外，Hondares等[10]通過計算寒冷環(huán)境下小鼠腹主動脈與肩胛間BAT靜脈中的FGF21含量差值直接證明，BAT在寒冷刺激下可大量分泌FGF21。

移植實(shí)驗也證實(shí)了BAT可以釋放FGF21。高脂誘導(dǎo)的肥胖小鼠接受BAT移植后，血漿FGF21濃度升高，并且出現(xiàn)體重減輕、糖耐量改善和胰島素敏感性增加的表型[11]。載脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠接受BAT移植后也出現(xiàn)相似的代謝表型。進(jìn)一步應(yīng)用β腎上腺素能受體阻滯劑后，小鼠血漿FGF21水平下降，上述代謝表型消失[12]。由此說明，移植后的BAT具有內(nèi)分泌活性，可以分泌FGF21入血，發(fā)揮改善代謝的效應(yīng)，而β腎上腺素能受體阻滯劑可阻斷BAT的這一作用。

2.3 NRG4 NRG4是BAT中含量豐富的分泌蛋白之一。Wang等[13]研究發(fā)現(xiàn)，NRG4基因大量存在于BAT中，而在WAT、肝臟及骨骼肌中則含量極少。RT-qPCR實(shí)驗表明，棕色脂肪細(xì)胞能表達(dá)大量NRG4 mRNA。寒冷和去甲腎上腺素刺激均可誘導(dǎo)BAT中NRG4基因表達(dá)，NRG4可促進(jìn)神經(jīng)元軸突生長，增加BAT中的交感神經(jīng)分布，調(diào)節(jié)機(jī)體代謝。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，與高脂喂養(yǎng)的野生型小鼠相比，BAT特異性基因敲除(NRG4KO)小鼠脂肪量增加、糖耐量受損。說明BAT中的NRG4有預(yù)防肥胖發(fā)生、改善代謝的作用。類似地，Chen等[14]研究發(fā)現(xiàn)，敲除NRG4基因的小鼠在高脂喂養(yǎng)時出現(xiàn)高血糖癥及高胰島素血癥，提示NRG4表達(dá)下降與胰島素抵抗有關(guān)。

為了確定BAT分泌的NRG4作用于哪個器官，Wang等[13]利用堿性磷酸酶與NRG4的復(fù)合物(SEAP-NRG4Ex)進(jìn)行組織化學(xué)染料標(biāo)記結(jié)合實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)NRG4大量存在于肝臟中，但是幾乎不存在于心臟、骨骼肌等器官；進(jìn)一步改用谷胱甘肽標(biāo)記與NRG4形成的復(fù)合物(GST-Nrg4Ex)進(jìn)行定位觀察，得到相似的結(jié)果，表明BAT分泌NRG4通過作用于肝臟，從而發(fā)揮改善代謝的作用。

2.4 IL-6 BAT分泌的IL-6除了具有旁分泌及自分泌的作用外，還具有內(nèi)分泌功能[5]。Stanford等[11]進(jìn)行BAT移植實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，移植BAT的受體小鼠血漿IL-6水平升高、葡萄糖耐量改善，且出現(xiàn)了體重減輕的表型。然而，移植WAT后的受體小鼠并未發(fā)生上述變化。提示移植后的BAT可通過分泌IL-6，從而改善受體小鼠的代謝水平。進(jìn)一步將IL-6基因敲除小鼠BAT移植到野生型小鼠體內(nèi)后，發(fā)現(xiàn)上述代謝益處消失?？梢?，BAT分泌的IL-6是受體小鼠體重減輕及糖代謝改善的主要原因。

2.5 IGF-1 IGF-1是一種在分子結(jié)構(gòu)上與胰島素類似的多肽蛋白質(zhì)。移植實(shí)驗表明，BAT可以通過分泌IGF-1以內(nèi)分泌的方式調(diào)節(jié)血糖。將胎鼠的BAT移植到由注射鏈脲佐菌素導(dǎo)致的1型糖尿病小鼠皮下區(qū)域，受體小鼠IGF-1水平明顯升高、胰高血糖素水平降低、糖耐量逐漸改善直至正常水平[15]。將胎鼠BAT移植到自身免疫性1型糖尿病(胰島素絕對缺乏)小鼠皮下區(qū)域，發(fā)現(xiàn)受體小鼠循環(huán)IGF-1水平也顯著升高、并持續(xù)高表達(dá)，胰高血糖素、血糖水平下降。提示血糖下降可能是循環(huán)IGF-1升高后發(fā)揮類似胰島素作用的結(jié)果。深入研究發(fā)現(xiàn)，胰島素受體抑制劑可阻斷這一作用，說明BAT分泌的IGF-1可進(jìn)入血液循環(huán)，并作用于外周胰島素受體繼而發(fā)揮類似胰島素的作用[16]。

3 BAT與代謝性疾病的關(guān)系

3.1 BAT與肥胖 BAT是具有代謝活性的脂肪，增加BAT的含量及活性可改善糖、脂代謝，預(yù)防肥胖的發(fā)生[17]。Stanford等[11]通過動物實(shí)驗觀察到，將BAT移植到小鼠內(nèi)臟腔8周后，與對照組小鼠相比，受體小鼠的糖耐量水平明顯改善，繼續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，在移植后的第12周，受體小鼠胰島素敏感性增加，且體重顯著下降，說明移植BAT可以減輕體重，并改善糖代謝。進(jìn)一步將不同重量的BAT移植到小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)移植BAT較多的受體小鼠，其胰島素敏感性增加的幅度更大，提示BAT改善代謝的作用存在劑量依賴性。此外，在肥胖狀態(tài)下，BAT的活性降低。通過氟代脫氧葡萄糖(18F-FDG)PET評估高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠的BAT活性發(fā)現(xiàn)，肥胖小鼠BAT的糖攝取能力下降、活性減弱，BAT中出現(xiàn)“白色化”現(xiàn)象[18]。人群研究也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，在肥胖人群中，BAT對寒冷和胰島素刺激的反應(yīng)減弱[19]。由此推測，BAT與肥胖之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，在肥胖狀態(tài)下，BAT活性降低，而移植BAT，可以預(yù)防肥胖的發(fā)生。

3.2 BAT與心血管疾病 活性BAT可改善動脈粥樣硬化。將野生型小鼠的BAT移植到ApoE-/-的動脈粥樣硬化模型小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)小鼠動脈斑塊面積縮小，但是兩組小鼠血漿膽固醇水平差異并無統(tǒng)計學(xué)意義，提示BAT改善動脈粥樣硬化斑塊的作用可能不是依賴于血脂的減少[12]。為進(jìn)一步探討小鼠動脈斑塊縮小的原因，Kikai等[12]觀察了ApoE-/-受體小鼠BAT中FGF-21的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)BAT中FGF-21的mRNA和蛋白質(zhì)水平均顯著升高，血清脂聯(lián)素水平也顯著升高，并與受體小鼠動脈粥樣硬化的程度呈負(fù)相關(guān)。提示受體小鼠動脈斑塊縮小的原因可能與FGF-21和脂聯(lián)素水平升高有關(guān)。繼續(xù)應(yīng)用β3腎上腺素能受體阻滯劑后，上述移植BAT的抗動脈粥樣硬化作用消失，F(xiàn)GF-21和脂聯(lián)素水平也相應(yīng)降低，表明β3腎上腺素能受體介導(dǎo)了BAT活化，活化的BAT通過分泌FGF-21和脂聯(lián)素，進(jìn)而發(fā)揮改善動脈粥樣硬化的作用。

3.3 BAT與肝脂肪變性 BAT可以抑制肝臟中脂肪生成，進(jìn)而減緩脂肪肝的發(fā)展。Liu等[20]將BAT移植到出現(xiàn)肝脂肪變性的ob/ob小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)小鼠肝臟脂肪變性得到了完全逆轉(zhuǎn)，同時觀察到小鼠血液中甘油三酯含量較對照組顯著降低；測定脂肪酸代謝相關(guān)基因的表達(dá)后發(fā)現(xiàn)，在移植BAT后，特異性調(diào)節(jié)肝臟脂肪酸代謝的固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c(SREBP1c) mRNA顯著下降。在此基礎(chǔ)上，Wang等[13]證實(shí)，BAT通過分泌NRG4抑制SREBP1c的表達(dá)，影響肝臟脂肪合成信號通路，進(jìn)而減少肝臟中脂肪合成。最新的研究發(fā)現(xiàn)，在限制卡路里攝入的基礎(chǔ)上，輔以β3腎上腺素能受體激活劑激活BAT，能夠改善小鼠肝臟脂肪變性、逆轉(zhuǎn)肝細(xì)胞損傷，進(jìn)而更好地治療非酒精性脂肪性肝病[21]。

BAT內(nèi)分泌功能的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了數(shù)十年的時間。隨著T3、FGF21、IL-6等具有內(nèi)分泌功能的棕色脂肪因子的發(fā)現(xiàn)，對于BAT改善代謝性疾病的認(rèn)識已經(jīng)不局限于其經(jīng)典的產(chǎn)熱功能。BAT作為一個新的內(nèi)分泌器官，其在調(diào)節(jié)糖、脂代謝和能量代謝方面發(fā)揮越來越重要的作用。然而，對于棕色脂肪因子的認(rèn)識尚不全面，BAT分泌組學(xué)的研究還在繼續(xù)，未來仍需繼續(xù)關(guān)注新的棕色脂肪因子并明確其功能。由于BAT的產(chǎn)熱功能及分泌功能能夠共同抵抗肥胖等代謝性疾病的發(fā)生、發(fā)展，所以增加BAT的含量或增強(qiáng)其活性將成為治療代謝性疾病的新思路之一，深入認(rèn)識棕色脂肪因子可以為治療肥胖的新藥研發(fā)提供潛在靶點(diǎn)。