PRDM16與肥胖關(guān)系的研究進(jìn)展

張睿 綜述 黃啟亞 審校

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第六醫(yī)院(清遠(yuǎn)市人民醫(yī)院)內(nèi)分泌科，廣東 清遠(yuǎn) 511500

近年來(lái)，肥胖的患病率呈快速上升趨勢(shì)，已經(jīng)成為全球性公共衛(wèi)生問(wèn)題。2016年，在全球范圍內(nèi)，18歲及以上的成年人中39%的男性和40%的女性達(dá)到超重水平，總?cè)藬?shù)達(dá)近20億；11%的男性和15%的女性達(dá)到肥胖水平，總?cè)藬?shù)超過(guò)5億，超重和肥胖人數(shù)在過(guò)去40年里呈現(xiàn)出明顯的上升[1]。因此，如何有效控制并逆轉(zhuǎn)肥胖成為了研究熱點(diǎn)。近年有研究發(fā)現(xiàn)PR結(jié)構(gòu)域蛋白16(PRDI-BF1 and RIZ homology domain containing protein，PRDM16)具有激活棕色脂肪組織特異性的生熱程序，提高其線粒體密度，促進(jìn)解偶聯(lián)蛋白-1(uncoupling protein-1，UCP-1)的表達(dá)，增加能量消耗的作用；而肥胖患者PRDM16基因表達(dá)明顯下降，提示其與肥胖的關(guān)系密切。本文以PRDM16為切入點(diǎn)，分析PRDM16的功能、回顧PRDM16與肥胖關(guān)系的新進(jìn)展，以期為肥胖癥及相關(guān)代謝性疾病的治療提供新思路。

1 脂肪組織的分類、分布及功能

哺乳動(dòng)物體內(nèi)的脂肪組織分三類：白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)、棕 色 脂 肪 組 織(brown adipose tissue，BAT)和米色脂肪組織。人體脂肪組織以WAT為主且占大部分，其中15%分布于腹腔內(nèi)。在腹腔內(nèi)，主要分布于胃、腸、肝和腎等臟器之間，內(nèi)臟、腸系膜和腹膜后均有大量WAT儲(chǔ)存；另外85%的WAT主要分布于皮下組織，尤以臀部、大腿和下腹部分布較多[2]。BAT在人體內(nèi)較少[3]，其主要分為胸內(nèi)區(qū)、內(nèi)臟區(qū)和皮下區(qū)。在胸內(nèi)區(qū)，BAT位于主動(dòng)脈、頸總動(dòng)脈、心靜脈和頭臂動(dòng)脈等血管周圍，以及心臟、氣管、肺和食管等中空組織；在內(nèi)臟區(qū)，BAT圍繞結(jié)腸等中空組織，以及胰腺、腎臟、腎上腺、肝臟和脾臟等實(shí)體器官；在皮下區(qū)，BAT位于頸內(nèi)肌、鎖骨區(qū)、前腹壁和腹股溝區(qū)之間[4-8]。而米色脂肪細(xì)胞則來(lái)源于WAT中的各種前體細(xì)胞，呈簇狀分布在WAT所在的區(qū)域內(nèi)[9]。

WAT以甘油三酯的形式儲(chǔ)存能量，而BAT和米色脂肪組織以產(chǎn)熱功能為主。WAT細(xì)胞脂滴大，具有以下功能：當(dāng)機(jī)體能量不足時(shí)以甘油三酯的形式釋放脂肪酸，通過(guò)脂肪酸氧化提供能量；分泌瘦素、腫瘤壞死因子α等參與2型糖尿病等疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程；保護(hù)臟器及保溫功能[10]。經(jīng)典BAT細(xì)胞有多個(gè)小脂滴，主要功能是非顫抖性產(chǎn)熱，UCP-1是其標(biāo)志物，產(chǎn)熱時(shí)消耗大量脂肪和葡萄糖，通過(guò)UCP-1氧化磷酸化解偶聯(lián)作用將能量以熱量形式釋放而不形成ATP。米色脂肪細(xì)胞形態(tài)、功能等介于WAT和經(jīng)典BAT之間，其可能來(lái)源于白色脂肪組織中的前棕色脂肪細(xì)胞[11]、前白色脂肪細(xì)胞[12]、已存在的白色脂肪細(xì)胞[13]和骨骼肌前體細(xì)胞[14]；米色脂肪細(xì)胞在寒冷、藥物等刺激下可轉(zhuǎn)變?yōu)樽厣炯?xì)胞，但米色脂肪細(xì)胞不表達(dá)與經(jīng)典BAT相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子(如PRDM16)[2]。

2 PRDM16與肥胖的關(guān)系

如前所述，BAT能通過(guò)UCP-1的氧化磷酸化解偶聯(lián)作用來(lái)發(fā)揮其獨(dú)特的產(chǎn)熱功能，而PRDM蛋白家族中的PRDM16蛋白在BAT的活化過(guò)程中起著重要作用。PRDM蛋白家族由17個(gè)成員組成，在結(jié)構(gòu)上由保守的N端PR[PRDI-BFI(正向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域I-結(jié)合因子1)和RIZ1(視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白相互作用的鋅指基因1)]結(jié)構(gòu)域和數(shù)量不等的鋅指組成[15]。PRDM蛋白作為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)器，通過(guò)內(nèi)在的染色質(zhì)修飾活動(dòng)或通過(guò)招募輔助因子和染色質(zhì)修飾因子來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖和分化[16-17]。其中，PRDM16基因由MOCHIZUKI等[18]在研究骨髓增生異常綜合征(myelodysplastic syndromes，MDS)和急性髓細(xì)胞性血病(acute myelogenous leukemia，AML)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)。PRDM16蛋白被認(rèn)為是棕色和米色脂肪中生熱脂肪細(xì)胞選擇性基因程序的關(guān)鍵調(diào)控因子[19]。

齊亞楠等[20]選取SD雄鼠建立肥胖大鼠模型，取大鼠睪丸及睪周脂肪組織稱重，兩者在肥胖組中均明顯高于正常組，實(shí)時(shí)熒光定量PCR和Western Blot檢測(cè)肥胖組睪丸及睪周組織中PRDM16蛋白表達(dá)量及mRNA表達(dá)量，較正常組均明顯降低，從而推測(cè)PRDM16與肥胖存在聯(lián)系。

PRDM16鋅指蛋白不是直接與DNA結(jié)合起作用的，PRDM16先與典型的DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子如CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白β(CCAAT/Enhancer-binding proteinβ，C/EBPβ)、過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體-γ(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR γ)結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，通過(guò)鋅指結(jié)構(gòu)選定并且激活BAT選擇性基因程序，從而提高線粒體密度，促進(jìn)UCP-1的表達(dá)[21]；同時(shí)，PRDM16通過(guò)與羧基末端結(jié)合蛋白(C-terminal binding protein，CtBP1和CtBP2)結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合物，從而使WAT基因沉默[22]。有研究指出，PRDM16除了能夠直接轉(zhuǎn)錄激活棕色脂肪特異性基因外，還能通過(guò)抑制Ⅰ型干擾素(typeⅠinterferon，Ⅰ型IFN)反應(yīng)來(lái)加強(qiáng)和維持棕色脂肪的特性。Ⅰ型IFN信號(hào)的激活會(huì)破壞棕色和米色脂肪細(xì)胞線粒體的結(jié)構(gòu)和功能從而降低其產(chǎn)熱功能，而PRDM16能夠作用于Ⅰ型IFN受體的下游，抑制Ⅰ型IFN的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，并保護(hù)脂肪細(xì)胞中的線粒體基因表達(dá)。然而，Ⅰ型IFN信號(hào)的激活降低線粒體功能的機(jī)制尚不清楚[20]。另有報(bào)道表明，棕色脂肪細(xì)胞和肌細(xì)胞起源自相同的表達(dá)Myf5的前體細(xì)胞，而PRDM16則決定了Myf5前體細(xì)胞分化的方向，實(shí)驗(yàn)敲除小鼠棕色脂肪前體細(xì)胞中的PRDM16基因，棕色脂肪前體細(xì)胞便轉(zhuǎn)化為肌細(xì)胞[23-24]。

詹芳芳等[25]通過(guò)snapshot或連接酶檢測(cè)技術(shù)對(duì)超重肥胖組和正常組對(duì)象PRDM16基因相關(guān)位點(diǎn)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果顯示PRDM16基因rs2651899位點(diǎn)的等位基因A以及單倍體型AAT可能促進(jìn)超重肥胖發(fā)生，而單倍體型GAC、GCT可能抑制超重肥胖發(fā)生，這說(shuō)明PRDM16不同基因位點(diǎn)之間存在相互作用，或協(xié)同或拮抗，進(jìn)而影響肥胖的發(fā)生發(fā)展。此外，LIU等[26]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，正常體質(zhì)量組BAT中的chr1：2987450的甲基化水平低于超重/肥胖組，CpG甲基化能夠抑制PRDM16的轉(zhuǎn)錄活性，下調(diào)其表達(dá)，從而抑制了BAT的生熱程序，減少了產(chǎn)熱，導(dǎo)致熱量?jī)?chǔ)存為WAT增加了體質(zhì)量，然而，在腹部皮下脂肪組織(subcutaneous adipose tissue，SAT)的chr1：2987447和網(wǎng)膜脂肪組織(omental adipose tissue，OAT)的chr1：2986395中，正常體質(zhì)量組甲基化水平反而更高，其復(fù)雜機(jī)制尚未明確，這也說(shuō)明了PRDM16的表達(dá)調(diào)控不是單個(gè)位點(diǎn)的變異，而是多個(gè)位點(diǎn)的變異組合。

孫盼盼等[27]采集腹部手術(shù)研究對(duì)象術(shù)前空腹靜脈血，通過(guò)Sequenom質(zhì)譜法檢測(cè)PRDM16基因啟動(dòng)子區(qū)CpG位點(diǎn)甲基化水平，結(jié)果顯示超重肥胖組PRDM16基因啟動(dòng)子CpG26.27位點(diǎn)甲基化與BMI正相關(guān)，但引起甲基化狀態(tài)改變的機(jī)制尚不清楚。PRDM16能與PPAR γ輔激活因子-1α和輔激活因子-1β(PGC-1α和PGC-1β)結(jié)合從而促進(jìn)棕色脂肪細(xì)胞分化相關(guān)基因的表達(dá)，提高線粒體密度、UCP-1的表達(dá)，同時(shí)PRDM16還與CtBP1、CtBP2結(jié)合抑制白色脂肪細(xì)胞分化相關(guān)基因的表達(dá)，如抵抗素和絲氨酸鈦酶抑制因子3ak(serpin3ak)的表達(dá)，而當(dāng)PRDM16高度甲基化時(shí)便不能與上述轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合從而影響棕色脂肪組織的形成。本研究局限性在于甲基化檢測(cè)是在血液中而不是脂肪組織中進(jìn)行的，因此仍需進(jìn)一步研究。類似的，妊娠期肥胖母親飲食補(bǔ)充甲基供體可降低后代肥胖率[28]、腹腔脂肪組織TNF-α甲基化可能是致肥胖因素[29]、瘦素基因啟動(dòng)子甲基化程度的降低能促進(jìn)瘦素表達(dá)以對(duì)抗肥胖[30]，這些研究在一定程度上表明了PRDM16甲基化與肥胖存在聯(lián)系。

棕色脂肪組織代謝主要的能量來(lái)源是儲(chǔ)存在棕色脂肪細(xì)胞中的脂肪酸，小部分來(lái)自血漿中的葡萄糖，而這種對(duì)血漿葡萄糖的攝取清除作用已被證明對(duì)糖尿病的治療有幫助[9]。SEALE等[31]的研究表明，PRDM16轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出能量消耗增加、體質(zhì)量增加受限以及對(duì)葡萄糖耐量提高的特點(diǎn)，揭示了PRDM16對(duì)于治療肥胖及其相關(guān)疾病的潛在價(jià)值。

值得注意的是，近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，除了PRDM16以外，其他的一些PRDM家族成員同樣與肥胖存在密切關(guān)系，如PRDM1[19]、PRDM2[32-33]、PRDM3[15]、PRDM4[14]、PRDM12[34]等都有報(bào)道。有研究指出，當(dāng)棕色脂肪中PRDM16缺失時(shí)，同樣存在于棕色脂肪中的PRDM3會(huì)起到補(bǔ)償作用，當(dāng)PRDM16和PRDM3同時(shí)缺失時(shí)，會(huì)使動(dòng)物體內(nèi)的棕色脂肪的形成過(guò)程在早期出現(xiàn)嚴(yán)重的缺陷[15]。有分子數(shù)據(jù)表明，PRDM3可通過(guò)與MED1(Mediator復(fù)合物的一個(gè)組成部分)相互作用，從而改變棕色脂肪基因特異性啟動(dòng)子的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，而這個(gè)機(jī)制與PRDM16相似[35]。因此既往的一些小鼠基因敲除實(shí)驗(yàn)只敲除PRDM16來(lái)探究其作用時(shí)，可能會(huì)因?yàn)镻RDM3代償效應(yīng)的存在而影響其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。這些與肥胖癥具有密切聯(lián)系且可能存在相互作用的PRDM蛋白家族成員，需要進(jìn)一步的研究加以分析與鑒別。

3 PRDM16在肥胖治療中的進(jìn)展

鑒于生熱脂肪組織及其相關(guān)基因與肥胖的密切關(guān)系，近年來(lái)人們致力于通過(guò)促進(jìn)生熱相關(guān)脂肪組織的激活、促進(jìn)白色脂肪細(xì)胞棕色化等途徑來(lái)探索治療肥胖的有效途徑，并取得了許多前所未有的進(jìn)展。

楊星雅等[36]進(jìn)行了一項(xiàng)針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)方式對(duì)大鼠棕色脂肪組織形態(tài)及功能的影響的研究，該實(shí)驗(yàn)通過(guò)HE染色觀察脂肪組織形態(tài)，使用熒光定量PCR檢測(cè)棕色脂肪組織相關(guān)基因PRDM16、PGC-1α及UCP-1的mRNA水平，并用Western-blot檢測(cè)其相應(yīng)的蛋白水平，最終發(fā)現(xiàn)，有氧訓(xùn)練后PRDM16的mRNA水平是對(duì)照組的1.78倍，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，而PRDM16蛋白的表達(dá)水平為對(duì)照組的1.46倍；而對(duì)于進(jìn)行抗阻訓(xùn)練的大鼠，其PRDM16基因水平和蛋白水平都有一定程度的升高，盡管其不具有顯著性差異。運(yùn)動(dòng)是減肥的科學(xué)方法，而該實(shí)驗(yàn)揭示了有氧運(yùn)動(dòng)發(fā)揮減重效果的可能機(jī)制，指出了PRDM16可能在運(yùn)動(dòng)治療肥胖中扮演著不可或缺的角色。噻唑烷二酮(thiazolidinedione，TZD)可將PRDM16蛋白半衰期從5.9 h延長(zhǎng)至17.5 h，使用TZD處理3 d可使PRDM16蛋白積累約250倍，此外，TZD已被證明可誘導(dǎo)sirtuin 1(SIRT1)依賴的PPARγ去乙?；M(jìn)而增強(qiáng)PRDM16和PPARγ復(fù)合物的形成，進(jìn)一步促進(jìn)WAT褐變[22]。其他的，如辣椒素、骨形態(tài)發(fā)生蛋白7(bone morphogenetic protein 7，BMP7)、鳶尾素、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21(fibroblast growth factor 21，F(xiàn)GF21)和利鈉肽可能通過(guò)激活β2腎上腺素受體誘導(dǎo)皮下WAT的褐變；辣椒素和TZD類似，都可促進(jìn)PRDM16蛋白的穩(wěn)定性，但促進(jìn)PRDM16蛋白穩(wěn)定的分子機(jī)制尚不明確，而PRDM16的穩(wěn)定性受到泛素-蛋白酶體途徑的高度調(diào)控，因此去泛素化很可能是增強(qiáng)PRDM16穩(wěn)定性的潛在機(jī)制；尚未得到鑒定的PRDM16的特異性E3泛素連接酶可能成為誘導(dǎo)WAT褐變的合理藥物靶點(diǎn)[22]。

值得關(guān)注的是，能夠檢測(cè)到BAT的成年人擁有一些共同特征，如較年輕，糖化血紅蛋白(HbA1c)、膽固醇、低密度脂蛋白-膽固醇、葡萄糖、體質(zhì)量指數(shù)(BMI)較低[37]。BAT量隨著年齡的增長(zhǎng)而逐漸減少，在80歲時(shí)BAT量顯著降低[38]。據(jù)推測(cè)，至少30%的老年人和接近100%的年輕人擁有BAT[39]。BAT和WAT在不同個(gè)體中的比例和活性不同，這可能可以解釋為什么某些群體體質(zhì)量更容易增加，減肥效果差，同時(shí)也可解釋人的體質(zhì)量隨年齡增長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)。另外，不是所有個(gè)體都具有肥胖傾向，如種族、海拔等許多因素都能影響個(gè)體的肥瘦平衡[40]。有研究指出，BAT移植可能比藥物治療更加有成效[41]。在高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠模型中進(jìn)行BAT的移植和摘除實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示BAT移植在不改變飲食攝入量的情況下逆轉(zhuǎn)了高脂飲食誘導(dǎo)的體質(zhì)量增加和胰島素抵抗，減輕了肥胖相關(guān)的脂肪組織炎癥，同時(shí)，還提高了內(nèi)源性棕色化標(biāo)記蛋白如PRDM16、UCP-1的表達(dá)，此外還促進(jìn)了脂肪酸氧化相關(guān)基因表達(dá)的增加[42]。該研究揭示了治療肥胖的又一潛在途徑，即通過(guò)外源性的BAT移植，在外源性補(bǔ)充PRDM16等產(chǎn)熱耗能相關(guān)因子的同時(shí)，又促進(jìn)個(gè)體本身產(chǎn)熱耗能因子的表達(dá)，該方法似乎避免了個(gè)體差異所造成的生熱組織含量的不足等因素，是未來(lái)治療肥胖及其相關(guān)疾病的一個(gè)值得探討的方向。

KISHIDA等[43]通過(guò)細(xì)胞重編程技術(shù)生成功能性棕色脂肪細(xì)胞的研究，他們將PRDM16基因轉(zhuǎn)入誘導(dǎo)型多能干細(xì)胞來(lái)源的胚狀體中，經(jīng)過(guò)培養(yǎng)后約75%的細(xì)胞呈棕色脂肪細(xì)胞外觀，含有豐富的線粒體及多房脂滴，并且高水平表達(dá)UCP-1等。這些誘導(dǎo)形成的棕色脂肪細(xì)胞被移植到同種基因的小鼠體內(nèi)的皮下組織中，并給予高脂飲食。結(jié)果表明，相比于對(duì)照組，這些小鼠的體質(zhì)量增加要少得多，并且恢復(fù)了由于高脂飲食所導(dǎo)致的血脂異常。該研究顯示，通過(guò)PRDM16轉(zhuǎn)導(dǎo)的誘導(dǎo)型棕色脂肪細(xì)胞在體內(nèi)具有代謝活性，能夠顯著抑制飲食誘導(dǎo)的肥胖、血脂異常等。這揭示了一種頗具前景的針對(duì)肥胖等代謝疾病的靶向治療方法，是將細(xì)胞編程等先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用于臨床治療的新嘗試。

4 小結(jié)

綜上所述，PRDM16蛋白能夠促進(jìn)棕色脂肪特異性基因的表達(dá)，同時(shí)抑制白色脂肪特異性基因的表達(dá)，通過(guò)棕色和米色脂肪的產(chǎn)熱程序增加能量消耗，從而抑制肥胖。相信隨著不斷地深入研究，PRDM16蛋白的潛在價(jià)值和臨床應(yīng)用前景將不斷體現(xiàn)，其可能為肥胖的防治提供有效方法。