線粒體自噬與白色脂肪棕色化的關(guān)系

嚴琴慧 李曉南

南京醫(yī)科大學附屬兒童醫(yī)院兒童保健科 210008

隨著生活水平的提高、生活方式的改變，肥胖及代謝綜合征已成為21世紀最受關(guān)注的公共衛(wèi)生問題之一。一項1975—2016年的調(diào)查研究顯示，全球肥胖的兒童和成人，及處于超重狀態(tài)的人數(shù)都有顯著的上升[1]。肥胖與心血管疾病、2型糖尿病、癌癥、殘疾等都密切相關(guān)，并且隨著體重指數(shù)的上升健康風險也會不斷增加[2]。正常人體內(nèi)白色脂肪組織約占體重的10%，肥胖時主要表現(xiàn)為白色脂肪的增加和功能異常。而人體內(nèi)存在的另一種脂肪即棕色脂肪，則將化學能轉(zhuǎn)化為熱能消散，抵抗肥胖及代謝綜合征[3]。目前已證實，體內(nèi)存在棕色樣脂肪組織，與體重指數(shù)呈負相關(guān)[4]。這種棕色樣脂肪組織可能不僅包含經(jīng)典的棕色脂肪組織，還包含棕色化的脂肪組織，也稱米色脂肪。脂肪組織棕色化是指在一定刺激下白色脂肪組織中出現(xiàn)米色脂肪組織的過程[5]。因此，通過誘導(dǎo)白色脂肪棕色化可能增加機體產(chǎn)熱，降低肥胖及相關(guān)代謝綜合征的風險。

線粒體是雙層膜結(jié)構(gòu)的細胞器，是動態(tài)變化的，通過不停地分裂、融合來維持細胞的正常功能和形態(tài)。它被譽為細胞的“動力工廠”，通過氧化磷酸化合成ATP為細胞新陳代謝提供能量，同時是多種代謝途徑的發(fā)生地[6]。但是線粒體產(chǎn)生ATP時會伴隨產(chǎn)生活性氧簇，活性氧簇會氧化損傷蛋白、脂質(zhì)、DNA等，同時是激活自噬的重要因素[7]。在白色脂肪棕色化過程中，線粒體的數(shù)量和功能會發(fā)生顯著改變。線粒體自噬是調(diào)控線粒體數(shù)量和控制線粒體質(zhì)量的重要步驟。近兩年，對于線粒體自噬在白色脂肪棕色化中的作用和調(diào)控機制的研究不斷增加。本文圍繞近年線粒體自噬與白色脂肪棕色化的研究進展綜述如下。

1 線粒體在脂肪細胞能量代謝中的作用

在3種不同類型的脂肪組織中，線粒體數(shù)量和功能有著巨大的差異。白色脂肪細胞通常呈現(xiàn)為一個大而圓的脂滴、少量的細胞質(zhì)和低密度的線粒體，主要功能是儲存脂肪。線粒體在其中主要參與脂質(zhì)合成和分解、脂肪酸酯化、支鏈氨基酸代謝等過程，但是其氧化能力低，產(chǎn)熱能力低[8]。棕色脂肪細胞是一個多房的結(jié)構(gòu)，含有較多的線粒體和小脂滴，主要功能是依賴于線粒體的非顫栗性產(chǎn)熱。非顫栗性產(chǎn)熱主要是指位于線粒體內(nèi)膜的解耦聯(lián)蛋白(UCP)1解耦聯(lián)細胞氧化呼吸作用，減少ATP生成，使化學能以熱能釋放[9]。米色脂肪細胞是一種新發(fā)現(xiàn)的脂肪細胞，兼具白色脂肪細胞和棕色脂肪細胞的特點，其來源和功能都尚有爭議。在基礎(chǔ)狀態(tài)，米色脂肪細胞類似于白色脂肪細胞，有單室大脂滴和少量的線粒體，但是在外界環(huán)境的刺激下，其形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，脂滴變小，線粒體含量增多，并表達棕色脂肪細胞的特征性蛋白UCP1，具有適應(yīng)性產(chǎn)熱功能[10]。線粒體在白色脂肪組織、棕色脂肪組織和米色脂肪組織中的不同含量和作用，說明在白色脂肪棕色化過程中線粒體會發(fā)生巨大的變化。這種變化需達到一種平衡，即線粒體穩(wěn)態(tài)，才能維持細胞自身的“健康”狀態(tài)，以響應(yīng)不同的能量需求。 線粒體是高度動態(tài)的細胞器，細胞通過線粒體的生物合成和線粒體自噬兩條通路調(diào)節(jié)線粒體含量，保持細胞的線粒體穩(wěn)態(tài)[11]。已有大量文獻證實，運動、寒冷、腎上腺素能受體激動劑等刺激可以促使脂肪細胞的過氧化物酶體增殖物活化受體γ協(xié)同刺激因子-1α、核呼吸因子1、線粒體轉(zhuǎn)錄因子A表達增多，表明線粒體生物合成增多[12-13]。但對于線粒體自噬在白色脂肪棕色化中的作用尚不清楚，而線粒體自噬在調(diào)節(jié)細胞內(nèi)線粒體數(shù)量和維持線粒體質(zhì)量等方面發(fā)揮重要作用。

2 線粒體自噬的途徑

細胞自噬是指細胞內(nèi)降解和回收利用生物大分子和受損細胞器的過程，目前主要分為3種類型：微自噬、巨自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。其中，巨自噬是最主要的類型，指新生成的或從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脫落的雙層膜囊泡包裹多余的或損傷的物質(zhì)形成自噬體，運輸?shù)饺苊阁w，與其融合形成自噬溶酶體，降解其內(nèi)容物后釋放分解產(chǎn)物進入細胞質(zhì)再利用[14]。線粒體自噬是一種選擇性的巨自噬，主要有兩種作用：選擇性的除去損傷或功能失調(diào)的線粒體來維持細胞的穩(wěn)定；在細胞分化中完全或部分清除線粒體來完成細胞分化[15]。因此，線粒體自噬在細胞質(zhì)量控制、發(fā)育過程中起重要作用，線粒體自噬的異常會導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病、心臟病、肝臟病、腫瘤等病理反應(yīng)[16]。線粒體自噬受多種因素調(diào)節(jié)，其中關(guān)鍵步驟是待降解的線粒體和自噬泡之間的特異性識別。目前研究較多的識別途徑有兩種：非泛素依賴的直接連接；泛素依賴的銜接蛋白介導(dǎo)的連接[17]。

2.1 非泛素依賴的直接連接 目前已經(jīng)證實，線粒體自噬直接連接的受體蛋白或受體相關(guān)因子包括BNIP3(BCL2/E1B 19kDa interacting protein 3)、NIX(NIP3-like protein X， also known as BNIP3L)、FUNDC1(FUN14 domain-containing protein 1)、BCL2L13(BCL2-like 13)等。非泛素依賴的直接連接是指線粒體損傷后線粒體受體蛋白與自噬體上的微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(LC3)結(jié)合。LC3是哺乳動物細胞中酵母自噬相關(guān)基因(Atg)8的同源物，需與磷脂酰乙醇胺結(jié)合形成LC3-磷脂酰乙醇胺才可發(fā)揮作用，其始終定位于自噬體膜上，常作為自噬體的標志分子[18]。目前已知的BNIP3和FUNDC1可以介導(dǎo)低氧損傷引起的線粒體自噬，NIX在紅細胞成熟過程中介導(dǎo)線粒體自噬，Bcl2L13的激活因素目前還未確定[19-20]。

2.2 泛素依賴的銜接蛋白介導(dǎo)的連接 已知的銜接蛋白介導(dǎo)的線粒體自噬主要是同源性磷酸酶-張力蛋白誘導(dǎo)激酶1(PINK1)/Parkin通路。泛素化是線粒體損傷的重要標簽，PINK1是泛素的激酶，可使泛素磷酸化[21]。在線粒體膜電位降低時PINK1可穩(wěn)定聚集在線粒體外膜上，磷酸化后的泛素募集E3泛素蛋白連接酶(Parkin)，Parkin連接泛素和膜蛋白，使線粒體外膜被泛素化。泛素化的基質(zhì)被自噬銜接蛋白p62/SQSTM、OPTN(optineurin)、NDP52(nuclear dot protein 52 kDa)、NBR1(neighbor of Brca1 gene 1)等識別，然后銜接蛋白將泛素化的線粒體與自噬體上的LC3連接[17]。

3 線粒體自噬與白色脂肪棕色化的關(guān)系

3.1 脂肪細胞分化過程中的線粒體自噬 研究報道，人皮下脂肪組織來源的間充質(zhì)干細胞在誘導(dǎo)分化第7天時出現(xiàn)棕色脂肪樣特征，有多室的小脂滴和豐富的線粒體，同時高表達UCP1，但是在分化第14天時又呈現(xiàn)白色脂肪樣表現(xiàn)[22]。Goldman等[23]發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠胚胎成纖維細胞的Atg5和Atg7均可阻斷其分化為成熟白色脂肪細胞的進程。最近有研究證實，在脂肪細胞分化后期，線粒體數(shù)量的減少主要是通過早老素相關(guān)菱形樣蛋白酶(PARL)-PINK1-Parkin途徑的線粒體自噬實現(xiàn)的[24]。這些研究提示，在脂肪細胞分化過程中，早期有一過性棕色樣表現(xiàn)，之后通過線粒體自噬減少線粒體數(shù)量，呈現(xiàn)白色脂肪細胞的特征。推測寒冷、運動等刺激抑制分化后期的線粒體自噬，使白色脂肪前體細胞轉(zhuǎn)化為米色脂肪細胞，而無法分化成熟變?yōu)榘咨炯毎?/p>

3.2 棕色化與白色化中的線粒體自噬 Taylor等[25]研究顯示，在白色脂肪棕色化過程中Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬減少。研究者用羅格列酮誘導(dǎo)3T3-L1脂肪細胞棕色化，證明在棕色化的3T3-L1脂肪細胞中Parkin蛋白和p62的表達下調(diào)，同時Parkin在誘導(dǎo)棕色化過程不是必需的，但是過表達Parkin會抑制棕色化。對小鼠的體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，皮下脂肪與內(nèi)臟脂肪對棕色化刺激不同反應(yīng)的原因可能與Parkin有關(guān)，敲除Parkin基因后可誘導(dǎo)內(nèi)臟脂肪高表達UCP1，而皮下脂肪野生型與基因敲除型表現(xiàn)一樣。但是關(guān)于BNIP3的研究發(fā)現(xiàn)，在羅格列酮誘導(dǎo)下，3T3-L1脂肪細胞中BNIP3的表達上調(diào)，沉默BNIP3基因后UCP1反應(yīng)減弱，損傷BNIP3會引起線粒體功能惡化，提示BINP3在脂肪細胞重塑過程中發(fā)揮復(fù)雜的作用，可能與過氧化物酶體增殖物活化受體γ一起調(diào)節(jié)線粒體的融合與分裂平衡[26-27]。在體內(nèi)實驗中，研究者也發(fā)現(xiàn)寒冷刺激下，年輕的小鼠可以發(fā)生白色脂肪棕色化，可能的機制是通過抑制p53而抑制線粒體自噬，增加線粒體數(shù)量[28]。

眾所周知，寒冷刺激或β3腎上腺素能受體激動劑可以使白色脂肪組織中出現(xiàn)米色脂肪細胞，但是最近發(fā)現(xiàn)，撤銷相關(guān)刺激后米色脂肪會再次轉(zhuǎn)化成白色脂肪。Altshuler-Keylin等[29]研究發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬可能是米色脂肪直接轉(zhuǎn)化為白色脂肪的原因，抑制線粒體自噬可以保持米色樣特征。近期研究發(fā)現(xiàn)，激活的β3腎上腺素能受體通過蛋白激酶A(PKA)信號途徑使Parkin磷酸化，并且阻止Parkin在去極化線粒體上的聚集，從而抑制線粒體自噬，保持米色脂肪特征，但這一過程是不依賴于UCP1表達的[30]。有研究提出，PKA調(diào)節(jié)PINK1-Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬，可能與線粒體膜蛋白MIC60有關(guān)，PKA通過磷酸化MIC60抑制線粒體自噬[31]。

4 問題與展望

目前，線粒體自噬與白色脂肪棕色化的關(guān)系尚有很多不確定性。根據(jù)已有研究，可以推測在白色脂肪棕色化過程中線粒體自噬是受抑制的，但是有研究發(fā)現(xiàn)，在寒冷刺激狀態(tài)下的棕色脂肪細胞中，線粒體自噬伴隨線粒體生物合成增多而增加，以維持細胞內(nèi)的線粒體穩(wěn)態(tài)[32]。線粒體生物合成和自噬的動態(tài)平衡才能維持細胞的正常形態(tài)和功能，在白色脂肪棕色化過程中，線粒體生物合成增多和線粒體自噬減少是否會影響脂肪細胞的正常代謝，目前尚不清楚。如果盲目的抑制線粒體自噬會導(dǎo)致?lián)p傷的線粒體不能被清除，對細胞產(chǎn)生毒性作用。因此，尋找米色脂肪特異性的、可以選擇性阻止線粒體自噬的分子是未來研究的關(guān)鍵。此外，研究顯示，應(yīng)用葛根素修復(fù)棕櫚酸誘導(dǎo)的骨骼肌細胞線粒體功能障礙和受損的線粒體自噬，可改善胰島素抵抗；甲狀腺激素可以增強線粒體自噬和生物合成，從而延緩非酒精性脂肪性肝病的進展；耐力運動可以促進骨骼肌線粒體自噬信號PINK1基因表達，促進線粒體更新及功能改善，從而減輕高脂飲食誘導(dǎo)肥胖等[33-35]。以上結(jié)果提示，調(diào)控線粒體自噬，有可能成為臨床預(yù)防和治療肥胖的新手段。