棕色脂肪白色化研究進(jìn)展

吳 倩，王 靜，于亮宇，于麗秀，鄧亞卉，黎維勇

(華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院藥學(xué)部，湖北 武漢 430000)

脂肪組織在調(diào)節(jié)能量平衡和葡萄糖穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用[1]。白色脂肪組織(white adipose tissues，WAT)由包含單個(gè)大脂質(zhì)滴的WAT細(xì)胞組成，主要位于身體的皮下和腹部區(qū)域，以甘油三酸酯的形式存儲(chǔ)多余的能量[1]。棕色脂肪組織(brown adipose tissues，BAT)由富含大量線粒體的BAT細(xì)胞組成，主要位于嚙齒動(dòng)物的肩胛間區(qū)域，與WAT相比，BAT專門消耗能量來產(chǎn)生熱量[2]。

脂肪器官的可塑性不僅通過干細(xì)胞的增殖和分化而發(fā)生，而且還可以通過成熟脂肪細(xì)胞的直接轉(zhuǎn)化而發(fā)生，成熟脂肪細(xì)胞在適當(dāng)?shù)拇碳は峦ㄟ^重編程基因組，改變表型和功能而發(fā)生變化，如棕色脂肪組織的白色化[3]。肥胖中的棕色脂肪細(xì)胞功能異常，獲得白色脂肪細(xì)胞的特征，如擴(kuò)大的脂滴等，熱發(fā)生受到損害，定義為棕色脂肪在細(xì)胞中的白色化[4]。透射電鏡下觀察，白色化的BAT細(xì)胞含有擴(kuò)大的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、膽固醇晶體和一些退化的線粒體，并被越來越多的膠原纖維包圍[4]。

隨著年齡的增長(zhǎng)，人體內(nèi)的BAT逐漸白色化減少[5]。棕色脂肪組織中含有豐富的解偶聯(lián)蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)，其介導(dǎo)的線粒體的解偶聯(lián)通常與BAT的適應(yīng)性產(chǎn)熱有密切關(guān)系。但老化的BAT細(xì)胞喪失了對(duì)響應(yīng)冷刺激的增殖能力和UCP1表達(dá)能力[6]。肥胖和衰老過程中BAT的白色化和丟失促進(jìn)了代謝紊亂和相關(guān)疾病的發(fā)生，減緩BAT的白色化可能是對(duì)抗肥胖及代謝紊亂的另一個(gè)重要途徑。

1 棕色脂肪組織白色化誘導(dǎo)因素

1.1 高脂飲食高脂飲食引起的肥胖會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)血管稀疏和BAT中的功能性缺氧，從而導(dǎo)致線粒體功能障礙和脂質(zhì)滴積聚引起的BAT白色化[7]。小鼠在高脂飲食17周后，出現(xiàn)了BAT白色化，其特征是脂肪細(xì)胞的單室化和葡萄糖不耐受平行的熱原標(biāo)記減少[8]。另有研究表明，野生型小鼠高脂飲食1 d即可在BAT中誘發(fā)白色化和胰島素抵抗的最初征兆，減少葡萄糖和甘油三酸酯衍生脂肪酸的攝取[9]。而且，高脂飲食和高脂高蔗糖混合飲食而不是單純的高果糖飲食影響脂肪細(xì)胞形態(tài)和促進(jìn)皮下脂肪細(xì)胞的白色化。此外，這種白色化還具有性別依賴性，雌性小鼠的代謝表型不如雄性小鼠明顯[8]。

1.2 高環(huán)境溫度瘦小鼠的BAT細(xì)胞保持在28 ℃，溫度接近嚙齒動(dòng)物的熱中性時(shí)，獲得白色的單室脂肪細(xì)胞表型[10]。在正常(23 ℃)溫度下載脂蛋白E基因和UCP1雙敲除(DKO)小鼠高脂飲食觀察到BAT變大，腹股溝WAT (iWAT)呈棕褐色。而DKO小鼠在30 ℃時(shí)，BAT白色化，iWAT褐變消失，失去了有利的表型變化[11]。溫度升高后，米色脂肪和棕色脂肪細(xì)胞均表現(xiàn)出形態(tài)上的白色化，但使用體內(nèi)的細(xì)胞類型特異性分析后發(fā)現(xiàn)米色(但不是棕色)脂肪細(xì)胞與溫度相關(guān)的表觀基因組可塑性的獨(dú)特范式，并從棕色轉(zhuǎn)化為白色染色質(zhì)狀態(tài)[12]。

1.3 糖皮質(zhì)激素有研究發(fā)現(xiàn)，地塞米松誘導(dǎo)以脂滴積累為特征的BAT白色化，這種白色化可能與地塞米松誘導(dǎo)BAT中自噬和自噬相關(guān)蛋白7(autophagy related 7，ATG7)的表達(dá)有關(guān)[13]。由糖皮質(zhì)激素引起的BAT的白色化在缺乏脂肪細(xì)胞糖皮質(zhì)激素受體的小鼠中會(huì)減弱，但糖皮質(zhì)激素受體對(duì)高脂飲食引起的白色化沒有影響[14]。另有研究發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素對(duì)BAT的功能調(diào)節(jié)具有物種特異性差異。糖皮質(zhì)激素可通過增加UCP-1急性提高健康人體內(nèi)和體外BAT，卻會(huì)降低小鼠米色/棕色脂肪細(xì)胞中的UCP-1[15]。

2 棕色脂肪白色化調(diào)控因子

BAT的白色化是由多個(gè)調(diào)控因子影響的，不同的調(diào)控因子從不同的方向影響B(tài)AT的白色化進(jìn)程，見Tab 1。

2.1 影響線粒體功能的調(diào)控因子VEGFA：血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A(avascular endothelial growth factor A，VEGFA)是一種高度特異性的促血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子。非肥胖小鼠脂肪組織中VEGFA的靶向消融可觀察到BAT白色化。將VEGFA特異性地引入肥胖小鼠的BAT后，又可恢復(fù)血管分布，改善BAT細(xì)胞功能障礙。肥胖或VEGFA消融引起的BAT毛細(xì)血管稀薄，減少β-腎上腺素能信號(hào)，增加線粒體活性氧產(chǎn)生，并促進(jìn)線粒體自噬造成BAT缺氧[7]。反之，BAT缺氧導(dǎo)致β腎上腺素能信號(hào)進(jìn)一步受損，VEGFA表達(dá)更大的喪失，BAT功能障礙進(jìn)一步增加[16]。

SIRT家族：酵母沉默信息調(diào)節(jié)子2(silent information reguylator 2，Sir2)相關(guān)酶類(Sir2-related enzymes，Sirtuin)家族是組蛋白去乙酰化的重要酶類，其中SIRT1參與調(diào)節(jié)細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)和線粒體生物。白藜蘆醇通過促進(jìn)SIRT1-過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α(peroxlsome proliferator-activated receptor-γ coactlvator-1α，PGC-1α)信號(hào)抑制BAT的白色化，導(dǎo)致能量消耗增加，小鼠BAT的線粒體大小和線粒體DNA含量，并可能有助于抑制飲食肥胖時(shí)的體重增加[17]。SIRT3是一種關(guān)鍵的線粒體脫乙酰酶，辣椒素對(duì)高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖和BAT的白色化的抑制作用依賴于SIRT3的參與。SIRT3介導(dǎo)了辣椒素對(duì)緩解高脂飲食誘導(dǎo)的活性氧生成、提高線粒體活性和限制線粒體鈣超載的有益作用。 SIRT3以AMP依賴的蛋白激酶(adenosine 5’-monophosphate (AMP)-activated protein kinase，AMPK)的方式降低MCU啟動(dòng)子上的h3k27ac水平，抑制線粒體鈣超載。此外，辣椒素可逆轉(zhuǎn)高脂飲食對(duì)AMPK活性的抑制作用，逆轉(zhuǎn)SIRT3的表達(dá)，抑制衰老誘導(dǎo)的BAT的白色化[18]。SIRT6的缺失會(huì)損害BAT細(xì)胞的生熱功能，導(dǎo)致BAT白色化，減少氧氣消耗，并降低核心體溫和降低對(duì)寒冷的敏感性[19]。

Tab 1 Key regulators of BAT whitening

GABA：BAT中的外周γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)信號(hào)誘導(dǎo)肥胖癥的代謝功能障礙。交感神經(jīng)系統(tǒng)激活中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的GABA信號(hào)抗肥胖。飲食肥胖模型的BAT中GABA水平顯著增加。在飲用水中添加GABA可以誘導(dǎo)BAT白色化，降低耐寒性試驗(yàn)的生熱反應(yīng)，并導(dǎo)致肥胖小鼠的全身代謝功能障礙。鈣超載會(huì)抑制線粒體功能，用GABA處理BAT細(xì)胞可顯著增加線粒體鈣水平，促進(jìn)活性氧(ROS)的產(chǎn)生，并抑制線粒體呼吸[20]。

Lsd1：賴氨酸特異性脫甲基酶1(lysine-specific demethylase 1，Lsd1)的丟失誘導(dǎo)棕色到白色的脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)化和氧化代謝到糖酵解代謝的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變與BAT特異性下調(diào)和WAT選擇性基因表達(dá)上調(diào)相關(guān)。與對(duì)照組小鼠相比，Lsd1敲除小鼠的WAT選擇性基因(95%)在BAT中上調(diào)，而BAT選擇性基因(67%)顯示降低。Lsd1與CoREST復(fù)合體成員，特別是Rcor1和Rcor3的協(xié)同作用，抑制了WAT選擇性基因的表達(dá)。此外，BAT中Lsd1的缺乏會(huì)導(dǎo)致與氧化磷酸化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平降低相關(guān)的嚴(yán)重的線粒體功能障礙[21]。

2.2 促進(jìn)炎癥反應(yīng)的調(diào)控因子Fractalkine是由脂肪細(xì)胞合成的趨化因子，脂肪細(xì)胞將表達(dá)Fractalkine受體(CX3CR1)的白細(xì)胞募集到脂肪組織中。與CX3CR1缺陷的動(dòng)物相比，F(xiàn)ractalkine信號(hào)保持完整的動(dòng)物在富脂(FatED)飲食期間體重增加。Fractalkine導(dǎo)致巨噬細(xì)胞在BAT中積累，并增加了促炎性介質(zhì)的表達(dá)。局部BAT炎癥伴隨著脂肪酶表達(dá)的增加，并導(dǎo)致棕脂的白色化。相比之下，F(xiàn)ractalkine受體缺乏阻止了巨噬細(xì)胞的積累，選擇性減弱促炎介質(zhì)的表達(dá)，增加脂解酶的BAT表達(dá)，并且上調(diào)熱發(fā)生基因[22]。脂肪甘油三酯脂肪酶(adiposetriglyceride lipase，ATGL)缺乏的小鼠中，BAT發(fā)生了從棕色到白色的轉(zhuǎn)化。基因表達(dá)分析表明，ATGL缺陷小鼠的BAT白色化與強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體家族pyrin結(jié)構(gòu)域蛋白 3(NOD- like receptors family，pyrin domain containing 3，NLRP3)炎癥小體激活有關(guān)。扭曲的BAT細(xì)胞易死亡，它加重白色化了的BAT的炎癥，形成在肥胖中的典型的炎癥狀態(tài)[23]。長(zhǎng)的非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)逐漸成為脂肪細(xì)胞分化和基因表達(dá)的強(qiáng)大調(diào)節(jié)劑。Blnc1為棕色和米色脂肪細(xì)胞分化的保守lncRNA調(diào)控因子。Blnc1的脂肪特異性失活損害了冷誘導(dǎo)的產(chǎn)熱和褐變，并加劇了肥胖相關(guān)的BAT白色化。Blnc1在脂肪組織中的轉(zhuǎn)基因表達(dá)促進(jìn)有益的代謝作用。從機(jī)制上講，Blnc1細(xì)胞通過其蛋白伴侶Zbtb7b自動(dòng)減弱促炎細(xì)胞因子信號(hào)傳導(dǎo)并促進(jìn)脂肪細(xì)胞中的燃料存儲(chǔ)[24]。

2.3 與交感神經(jīng)相關(guān)的調(diào)控因子Tsukushi(TSK)是一種可誘導(dǎo)的肝因子，可響應(yīng)增加的能量消耗。肥胖者肝TSK表達(dá)和血漿TSK水平升高。肥胖癥中過多的TSK會(huì)促進(jìn)BAT白色化，高脂飲食式的體重增加和代謝異常。在小鼠中，TSK缺失可增加脂肪組織中的交感神經(jīng)支配和去甲腎上腺素的釋放，從而導(dǎo)致腎上腺素能信號(hào)傳導(dǎo)和生熱作用增強(qiáng)，幾乎完全抑制BAT白色化以及飲食引起的肥胖癥[25]。K+通道TASK1通過鹽皮質(zhì)激素受體途徑調(diào)節(jié)BAT中的β-腎上腺素反應(yīng)。在肥胖和冷暴露的小鼠中，TASK-1與UCP1表達(dá)高度相關(guān)。此外，與對(duì)照組相比，敲除了Task1(-/-)的小鼠超重，主要是因?yàn)閃AT量增加和棕脂的白色化。Task1(-/-)小鼠BAT細(xì)胞β3腎上腺素能受體反應(yīng)受損，耗氧量、UCP1表達(dá)和脂解減少。該表型被認(rèn)為是由于鹽皮質(zhì)激素受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)加劇所致，因?yàn)樗M了皮質(zhì)激素并被MR抑制劑逆轉(zhuǎn)[26]。

2.4 有性別差異的調(diào)控因子泛素連接酶Siah2是雌激素的轉(zhuǎn)錄靶標(biāo)，Siah2的缺失促進(jìn)了雄性BAT的白色化，卻抑制了高脂飲食引起的雌性BAT的白色化。這可能是因?yàn)榇菩灾挟a(chǎn)熱基因(Pgc-1α，Dio2，Ucp-1)和蛋白質(zhì)(Pgc1α，Ucp-1)的表達(dá)增加所致。并且，在HFD喂養(yǎng)的雌性動(dòng)物中，雌激素受體α(estrogen receptorα，ERα)和雌激素受體相關(guān)受體γ (estrogen receptor-relatedreceptorγ，ERRγ) 的蛋白表達(dá)大大降低。這表明Siah2可通過調(diào)節(jié)BAT中的ERα和ERRγ蛋白水平來抑制女性對(duì)慢性營(yíng)養(yǎng)過剩的熱反應(yīng)[27]。在食物攝入沒有變化的情況下，體內(nèi)脂肪細(xì)胞特定的骨形態(tài)發(fā)生蛋白抑制劑Noggin缺失促進(jìn)了雌性和雄性的年齡相關(guān)性肥胖。Noggin的缺失促進(jìn)WAT肥大，以及BAT白色化和功能受損，并存在明顯的性別差異，受影響更大的是雌性。雌性的BAT標(biāo)志物和熱基因的表達(dá)降低，包括Pgc-1α和Ucp1以及與脂肪形成和脂質(zhì)代謝相關(guān)的基因，而雄性在與脂肪形成和脂質(zhì)代謝相關(guān)的基因上有早期變化[28]。

2.5 其他調(diào)控因子敲除VEGFB基因可誘導(dǎo)肥胖表型，包括WAT 的擴(kuò)張，BAT的白色化，脂肪堆積的增加和能量消耗的減少。抑制VEGFB使脂肪組織中的代謝過程發(fā)生了廣泛變化。同時(shí)，WAT相關(guān)基因的表達(dá)增加，而BAT相關(guān)基因的表達(dá)減少[29]。組蛋白H3K9特異的甲基化轉(zhuǎn)移酶SETDB1，催化H3K9的三甲基化，通常起轉(zhuǎn)錄抑制作用。在BAT上缺失SETDB1的小鼠其BAT呈現(xiàn)WAT的形態(tài)，其脂滴大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常的BAT細(xì)胞。SETDB1可能通過與過氧化物酶體增殖劑激活受體(peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs)α/γ協(xié)同抑制白色相關(guān)基因，控制了細(xì)胞內(nèi)的脂滴代謝的穩(wěn)態(tài)，保證BAT的形態(tài)結(jié)構(gòu)功能正常[30]。

3 總結(jié)

人體內(nèi)棕色脂肪的存在為解決日益增長(zhǎng)的肥胖和代謝紊亂問題提供了可能的解決方式。棕色脂肪組織的白色化和丟失阻礙了這一進(jìn)程，減緩或抑制白色化進(jìn)程具有重要的臨床意義。但目前的研究主要集中于動(dòng)物水平和細(xì)胞水平且研究零散，還無法形成完整的調(diào)控機(jī)制。因此還需要深入研究歸納，并在人類身上進(jìn)一步探索驗(yàn)證。