激活白色脂肪棕色化相關(guān)因子的研究進(jìn)展

王愛超，吳華，莫晨玲

(1.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016；2. 青海省第四人民醫(yī)院 呼吸科，青海 西寧 810000)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和物質(zhì)生活水平的提高，肥胖的患病率逐漸升高，成為一種流行病，引起高脂血癥、高血壓和動(dòng)脈粥樣硬化等各種代謝綜合征[1]。人體內(nèi)的脂肪組織主要分為兩種類型：白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)和棕色脂肪組織(brown adipose tissue，BAT)。白色脂肪主要行使儲(chǔ)存能量的功能，而棕色脂肪可以通過非顫栗性產(chǎn)熱消耗能量，研究發(fā)現(xiàn)某些白色脂肪可以發(fā)揮棕色脂肪消耗能量的功能，這種棕色化的特殊白色脂肪被稱為米色脂肪[2]。米色脂肪的發(fā)現(xiàn)為治療多種肥胖及其相關(guān)代謝綜合征提供新的思路。激活白色脂肪棕色化的過程除了受寒冷和運(yùn)動(dòng)等因素的影響，還受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、轉(zhuǎn)錄因子和蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)，本文就激活白色脂肪棕色化相關(guān)因子的進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

1.1 芝麻酚芝麻酚是一種脂溶性木脂素化合物，是芝麻油的重要香氣成分。此外，它還是芝麻油重要的品質(zhì)穩(wěn)定劑，具有廣泛的生物活性，如抗氧化和清除自由基。芝麻酚抑制白色脂肪生成基因過氧化物酶體增殖激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor -gamma，PPAR-γ)、乙酰輔酶A羧化酶 (acetyl-coenzyme A carboxylase，ACACA)、固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c(sterol regulatory element-binding proteins-1c，SREBP-1c)和脂肪酸合成酶基因(fatty acid synthase gene，F(xiàn)ASN)的mRNA水平，并抑制BAT中脂滴數(shù)量與體質(zhì)量的增加，BAT標(biāo)志基因過氧化物酶體增殖物受體共激活因子-1α(peroxisomeproliferator-activated receptor-coactivator-1α，PGC-1α)、解偶聯(lián)蛋白-1(uncoupling protein1，UCP-1)、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21(fibroblast growth factor-21，F(xiàn)GF-21)和細(xì)胞色素C氧化酶Ⅱ(cytochrome C oxidase Ⅱ，COXⅡ)等的表達(dá)水平升高，線粒體中的過氧化物酶體增殖劑激活受體α(peroxisome proliferator-activated receptor-α，PPAR-α)和肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1α(carnitine palmityl transferase 1α，CPT1α)等脂質(zhì)代謝基因mRNA水平增加，白色脂肪棕色化發(fā)生在WAT中，脂肪消耗增加[3]。研究發(fā)現(xiàn)3T3-L1前脂肪細(xì)胞受MDI誘導(dǎo)分化的過程中，芝麻酚顯著抑制了3T3-L1前脂肪細(xì)胞的的分化和細(xì)胞內(nèi)脂滴的積累。

1.2 鞣花酸鞣花酸是一種重要的天然多酚，廣泛存在于植物組織中，具有抗氧化、抗癌等多種藥理作用。在維持細(xì)胞活力的條件下，鞣花酸抑制細(xì)胞周期蛋白A的蛋白質(zhì)表達(dá)，從而抑制3T3-Ll前體脂肪細(xì)胞中脂肪的形成[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)，鞣花酸通過抑制脂肪細(xì)胞分化關(guān)鍵基因PPARγ和轉(zhuǎn)錄因子CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α(CCAAT-enhancer binding proteinα，C/EBPα)的表達(dá)，抑制甘油三酯在脂肪細(xì)胞中聚集[5]。寧超[4]研究發(fā)現(xiàn)，鞣花酸可抑制高脂飲食誘導(dǎo)的大鼠脂質(zhì)積聚，下調(diào)脂質(zhì)合成相關(guān)蛋白中PPARγ、C/EBPβ和C/EBPα的表達(dá)，上調(diào)WAT中BAT標(biāo)志蛋白UCP-1和PGC-1α的表達(dá)，抑制前體脂肪細(xì)胞向成熟脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)化，促進(jìn)白色脂肪棕色化。余煊等[6]研究發(fā)現(xiàn)，石榴鞣花酸可以促進(jìn)脂質(zhì)代謝，降低細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)水平，抑制脂蛋白脂酶(lipoprotein lipase，LPL)和葡萄糖-3-磷酸脫氫酶(glucose-3-phosphate dehydrogenase，GPDH)的活性，從而抑制脂肪細(xì)胞中脂肪的形成，并且上調(diào)PPARγ和脂肪酸結(jié)合蛋白(adipocyte fatty acid binding protein，aP2)，下調(diào)肥胖基因ob。劉潤(rùn)[7]研究發(fā)現(xiàn)，石榴鞣花酸對(duì)脂質(zhì)代謝的影響主要是通過抑制SREBP-1c、FASN mRNA的基因表達(dá)，促進(jìn)LPL mRNA的基因表達(dá)，實(shí)現(xiàn)降低脂肪的功能。

2 代謝產(chǎn)物

2.1 鳶尾素(irisin)30 kD大小的irisin是一種分泌膜蛋白，由1個(gè)親脂性結(jié)構(gòu)域、1個(gè)信號(hào)肽和2個(gè)纖維蛋白結(jié)構(gòu)域組成，是由Ⅲ型纖連蛋白組件包含蛋白5(fibronectin type Ⅲ-domain containing protein 5，F(xiàn)NDC5)切除形成的小分子多肽[8-10]。研究表明，重組Irisin可促進(jìn)大鼠原代脂肪細(xì)胞和成熟3T3-L1脂肪細(xì)胞向棕色脂肪細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，在人成熟脂肪細(xì)胞中發(fā)生相同的現(xiàn)象。Irisin促進(jìn)PGC-1α水平升高，PGC-1α促進(jìn)UCP-1的生成，三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)的合成水平升高，細(xì)胞中線粒體的數(shù)量增加，同時(shí)促進(jìn)了血管的增生和轉(zhuǎn)換肌纖維型等[9,11]。另有研究表明，irisin作用于WAT，WAT細(xì)胞膜表面可能存在irisin受體，通過影響胞外信號(hào)相關(guān)激酶ERK的信號(hào)通路，同時(shí)介導(dǎo)p38絲裂原活化蛋白的磷酸化，上調(diào)棕色脂肪相關(guān)基因細(xì)胞死亡誘導(dǎo)DNA斷裂因子α類似效應(yīng)A(spermatozoal cell death-inducing DNA fragmentation factor-α-like effector A，Cidea)、細(xì)胞色素c氧化酶亞型7α(Cytochrome c oxidase subtype 7α，Cox7α)及米色脂肪相關(guān)蛋白跨膜蛋白26(transmembrane protein 26，TMEM26)的表達(dá)，促進(jìn)白色脂肪棕色化[9,12]。若用抑制劑阻斷p38 MAPK和ERK信號(hào)通路，UCP-1的水平不升高。研究表明，irisin可以升高激素敏感性脂肪酶(hormone-sensitive lipase，HSL)的表達(dá)水平，同時(shí)降低脂滴包被蛋白(perilipin)的表達(dá)水平，證明irisin通過cAMP-PKA-HSL/perilipin 途徑增強(qiáng)脂解作用[13]。

2.2 糖皮質(zhì)激素(glucocorticords，GC)GC是調(diào)節(jié)機(jī)體代謝的重要因子，GC促進(jìn)脂肪細(xì)胞的分化，增加甘油三酯的合成，抑制脂解，同時(shí)促進(jìn)脂肪蓄積，導(dǎo)致機(jī)體代謝紊亂。研究發(fā)現(xiàn)，GC可使棕色脂肪細(xì)胞的特異性功能基因UCP-1水平顯著下調(diào)，但當(dāng)給予抑制劑RU486后，棕色功能基因如UCP-1的表達(dá)水平顯著增加。通過體內(nèi)和體外以及病毒感染活性GC的研究表明，棕色化功能蛋白UCP-1和PR結(jié)構(gòu)域蛋白16 (PR domain containing 16，PRDM16)在小鼠白色脂肪細(xì)胞中的表達(dá)受到抑制，白色脂肪細(xì)胞的耗氧量也受到抑制。GC通過miR-27b的上游啟動(dòng)子區(qū)域的糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件(GRE)結(jié)合區(qū)調(diào)節(jié)miR-27b的表達(dá)，miR-27b可以通過PRDM16基因3’-UTR上的預(yù)測(cè)作用位點(diǎn)來抑制其靶基因PRDM16的表達(dá)，反過來又降低了白色脂肪的棕色化功能，這是GC抑制白色脂肪棕色化的可能分子機(jī)制。miR-27b通過作用于人的脂肪細(xì)胞中的靶基因PPARγ來抑制白色脂肪細(xì)胞的分化和成熟[14]。

2.3 神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白4(neuregulin 4，NRG4)神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白共有4種，屬于細(xì)胞外配體的表皮生長(zhǎng)因子家族，在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和腫瘤形成的過程中發(fā)揮重要作用[15-16]。NRG4主要在BAT中表達(dá)和分泌。NRG4被蛋白酶水解產(chǎn)生細(xì)胞外片段，細(xì)胞外片段不僅具有表皮生長(zhǎng)因子樣的結(jié)構(gòu)域，還可以通過自分泌、旁分泌或內(nèi)分泌等方式通過血液循環(huán)抵達(dá)靶細(xì)胞，從而對(duì)靶細(xì)胞發(fā)揮作用[17]。NRG4基因敲除小鼠實(shí)驗(yàn)表明，NRG4通過脂肪細(xì)胞分泌，直接作用于靶組織肝臟，NRG4抑制肝細(xì)胞脂合成代謝，在BAT中合成的NRG4在蛋白酶和胞外活性蛋白片段裂解的共同作用下，形成的胞外片段與肝細(xì)胞表面v-erb-b2禽紅細(xì)胞白血病病毒致癌基因同源物4(v-erb-b2 avian erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 4，Erb B4)受體結(jié)合，肝X受體(liver X receptors，LXR)活性被抑制的同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄激活因子5(signal transducers and activators of transcription 5，STAT5)被激活并磷酸化，SREBP-1c表達(dá)也明顯降低，這些因子的變化使與脂肪酸合成密切相關(guān)的乙酰輔酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase、ACC)、固醇酰輔酶A脫氫酶1 (atearoyal-coenzyme A desaturase 1，SCD1)和FASN轉(zhuǎn)錄減少，肝細(xì)胞的脂質(zhì)合成從源頭上被抑制，但NRG4對(duì)脂質(zhì)的輸出、攝入和氧化等無明顯影響[18-19]。NRG4通過限制脂肪肝的產(chǎn)生來控制能量平衡，不過目前還不能確定NRG4在BAT發(fā)生發(fā)展中的作用。NRG4在治療脂肪肝產(chǎn)生和胰島素抵抗等方面有重要作用，同時(shí)在白色脂肪棕色化方面有巨大潛力[17]。

2.4 MicroRNAs(miRNAs)微小RNA(miRNAs)是非編碼內(nèi)源性小分子，在進(jìn)化上保守且長(zhǎng)度為18～25個(gè)核苷酸，在生物體中無處不在，在生理和病理過程中起重要作用[20]。miRNA在調(diào)控基因表達(dá)、細(xì)胞發(fā)育、分化和凋亡中起重要作用，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，miRNAs可以對(duì)含有互補(bǔ)靶序列的信使RNA進(jìn)行阻遏、翻譯和降解。miRNAs通過在轉(zhuǎn)錄期間或之后與信使RNA的3’端非翻譯區(qū)不精確的互補(bǔ)配對(duì)來調(diào)節(jié)mRNA表達(dá)或抑制翻譯起始，miRNAs在脂肪的各種進(jìn)程中都發(fā)揮著重要作用，包括脂肪細(xì)胞的增殖、分化和棕色化。目前已經(jīng)證實(shí)與棕色脂肪及白色脂肪棕色化有關(guān)的miRNA主要有miR-193b-365、miR-196a和miR-133等[20]。MiR-129-5p是重要的腫瘤抑制因子，也在脂肪細(xì)胞中起作用，MiR-129-5p在小鼠腦、皮下WAT和BAT中表達(dá)較高。近期研究發(fā)現(xiàn)，miR-129-5p的過表達(dá)顯著抑制Ras-GTP酶激活蛋白Src同源結(jié)構(gòu)域3結(jié)合蛋白1(Ras-GTPase-activating protein SH3 domain binding protein，G3BP1)基因mRNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)水平，通過靶向G3BP1影響下游p38信號(hào)通路，在分子和細(xì)胞水平上顯著抑制了3T3前體脂肪細(xì)胞的增殖，但不影響脂肪的分化過程，同時(shí)脂肪細(xì)胞棕色化過程在分子水平上受到抑制，冷刺激后BAT和皮下WAT中的miR-133表達(dá)下降，被miR-133負(fù)性調(diào)節(jié)的PRDM16抑制了前脂肪細(xì)胞分化為成熟的BAT，脂肪細(xì)胞中的線粒體活性降低[20]。

2.5 周期蛋白依賴性激酶6(cyclin-dependent kinase 6，CDK6)周期蛋白依賴性激酶家族有8種，在細(xì)胞繁殖分化過程中扮演重要的角色。其中CDK6在調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的同時(shí)，也通過runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子1(runt-related transcription factor 1，RUNX1)調(diào)控細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄，從而影響脂肪和相關(guān)代謝疾病的發(fā)展[21]。與正常飲食相比，高脂肪飲食會(huì)使小鼠體內(nèi)的CDK6蛋白水平升高[22]。CDK6激酶活性喪失的K34M小鼠對(duì)高脂肪飲食誘導(dǎo)的肥胖具有抗性，并且改善了胰島素的敏感性和葡萄糖的耐受性，同時(shí)CDK6激酶的喪失增加了小鼠的能量消耗，促進(jìn)了白色脂肪棕色化[21]。食物的攝入導(dǎo)致細(xì)胞周期蛋白D1和CDK6的表達(dá)，從而激活CDK6[23]。這引起典型的級(jí)聯(lián)事件發(fā)生，Notch1和AKT1被激活，Notch1通過增強(qiáng)細(xì)胞周期蛋白D3來激活和上調(diào)CDK6，AKT1通過穩(wěn)定細(xì)胞周期蛋白D2來激活CDK6[24]。CDK6和其他激酶如ERK和CDK1磷酸化RUNX1，促進(jìn)RUNX1蛋白質(zhì)降解，從而導(dǎo)致UCP-1和PGC-1α近端啟動(dòng)子附近RUNX1不能及時(shí)補(bǔ)充，最終導(dǎo)致特異性棕色脂肪蛋白表達(dá)水平的降低[25]。在新陳代謝疾病方面，相對(duì)于磷酸化PGC-1α和胰島素底物受體2的周期蛋白依賴性激酶4(cyclin-dependent kinase 4，CDK4)，CDK6是一個(gè)更好的靶點(diǎn)，CDK4的缺乏會(huì)使胰β-細(xì)胞增長(zhǎng)緩慢，導(dǎo)致胰島素缺乏，發(fā)生糖尿病，CDK6對(duì)胰酶無明顯影響，缺乏CDK6可以增加能量的消耗，并且改善葡萄糖耐受性和胰島素敏感性[26]。CDK6激酶活性可能為代謝疾病的控制提供新的思路，并可能成為肥胖相關(guān)代謝疾病(如2型糖尿病)更好的治療靶點(diǎn)。

3 脂肪因子：瘦素(Leptin)

Leptin由ob基因編碼，是WAT分泌的脂肪因子，Leptin最主要的功能是抑制食欲。唐冬梅等[27]研究發(fā)現(xiàn)，限食的同時(shí)注射瘦素，可共同發(fā)揮增強(qiáng)脂肪分解代謝的作用，這種作用與抑制PPARγ蛋白的表達(dá)相關(guān)。瘦素抵抗的原因有很多，其中被廣泛認(rèn)可的原因有兩個(gè)，一個(gè)原因是瘦素沒有到達(dá)作用靶點(diǎn)，另一個(gè)原因是瘦素在細(xì)胞內(nèi)的級(jí)聯(lián)被抑制或者破壞。Leptin可以調(diào)節(jié)UCP1的表達(dá)，大鼠注射Leptin后可不同程度提高白色脂肪組織UCP1和UCP2的表達(dá)水平[28]。研究發(fā)現(xiàn)，在白色脂肪組織細(xì)胞培養(yǎng)液中，100 μg·L-1的Leptin使UCP2的mRNA水平上升63%，Leptin降低脂肪的作用可能是促進(jìn)解耦聯(lián)蛋白的表達(dá)[29]。

4 納米顆粒的影響及納米技術(shù)的應(yīng)用

隨著納米材料在工業(yè)和日常生活中的廣泛應(yīng)用，人們暴露于納米顆粒的可能性明顯增加?？諝庵蓄w粒物的污染不僅危害呼吸道和肺功能，而且與代謝性疾病密切相關(guān)，細(xì)顆粒物PM2.5顯著激發(fā)白色和棕色脂肪細(xì)胞的氧化應(yīng)激，引起胰島素抵抗等代謝紊亂性疾病[30-31]。研究表明，通過單次氣管內(nèi)滴注納米SiO2對(duì)大鼠進(jìn)行吸入染毒試驗(yàn)，在透射電子顯微鏡下觀察，棕色脂肪細(xì)胞中脂滴邊緣有黑色顆粒存在。納米SiO2顆粒的暴露導(dǎo)致白色脂肪細(xì)胞毒性反應(yīng)和炎癥因子基因的表達(dá)增加，并顯著抑制低溫誘導(dǎo)的分泌性產(chǎn)熱基因的表達(dá)。冷暴露下，脂肪細(xì)胞的炎癥損傷更嚴(yán)重，表明納米顆粒鈍化棕色和白色脂肪的冷誘導(dǎo)重塑，對(duì)脂肪組織的產(chǎn)熱與分泌功能有潛在影響[32]，這種現(xiàn)象的具體機(jī)制需要進(jìn)一步的探索。研究發(fā)現(xiàn)，將促棕色化激素羅格列酮作為親水性內(nèi)核，外層包裹白色脂肪血管靶定肽iRGD(CRGDK/RGPD/EG)和P3(CKGGRAKDC)的疏水性外殼，制成納米顆粒。用這種納米顆粒處理小鼠后，小鼠出現(xiàn)白色脂肪棕色化，能量消耗增加，體質(zhì)量減輕[33]。因?yàn)樵摪邢螂木哂邪咨咎禺愋?，?duì)其他組織無副作用，但羅格列酮有增加心肌梗死風(fēng)險(xiǎn)和心血管疾病死亡率的局限性，今后可以開發(fā)出效果更好的激動(dòng)劑，納米顆粒包裹后治療肥胖等疾病[34]。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

白色脂肪棕色化是一個(gè)復(fù)雜的過程，受多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)，相關(guān)信號(hào)通路也受到影響。白色脂肪棕色化的過程受UCP-1、PPARγ和PGC-1α等調(diào)節(jié)因子的調(diào)控，理論上通過誘導(dǎo)和激活生成米色脂肪來增加產(chǎn)熱基因PGC-1α等，可以治療多種肥胖及其相關(guān)代謝綜合征。根據(jù)相關(guān)原理，人類已經(jīng)研制出治療肥胖癥的藥物，這些藥物通過誘導(dǎo)白色脂肪棕色化來增加機(jī)體能量消耗，促進(jìn)機(jī)體能量代謝平衡。但這些藥物在動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，尤其是嚙齒類動(dòng)物，在促進(jìn)白色脂肪棕色化時(shí)還有其他作用，有待進(jìn)一步驗(yàn)證，運(yùn)用到人類身上更有一段距離。