生物鐘、棕色脂肪組織對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的影響

吳昌華，袁子豪，張 金，韓東倩，劉 歡，周俏賢，駱文風(fēng)，楊 春 （廣東醫(yī)科大學(xué). 第二臨床醫(yī)學(xué)院；. 醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)學(xué)院；. 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院；4. 解剖學(xué)教研室，廣東東莞 5808）

提 要：生物鐘的一些核心蛋白因子參與棕色脂肪組織(BAT)功能，BAT中腎上腺素能信號(hào)則影響生物鐘節(jié)律性。晝夜節(jié)律紊亂促進(jìn)炎癥、高脂血癥和動(dòng)脈粥樣硬化(AS)形成，而B(niǎo)AT含量或活性增加抑制AS。該文綜述了生物鐘、BAT對(duì)AS的影響。

動(dòng)脈粥樣硬化(AS)在心血管疾病方面已困擾臨床工作者多年，盡管最近在治療方面取得了很大的進(jìn)展，但效果并不理想。近年來(lái)，隨著全球?qū)ι镧姾妥厣窘M織(BAT)功能與代謝調(diào)節(jié)的研究進(jìn)展的突破，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，生物鐘和BAT都對(duì)AS的發(fā)生發(fā)展有著很大的影響。它們之間的相互作用與影響可以干擾AS的發(fā)生與形成，這似乎可以成為一個(gè)新的治療思路與途徑。我們就此通過(guò)研究生物鐘和BAT對(duì)AS的影響，減少AS的發(fā)生或影響AS的發(fā)展進(jìn)程，從而更有效地預(yù)防和治療心血管疾病。

1 概述

生物鐘對(duì)日常代謝功能的調(diào)節(jié)，包括激素的釋放，睡眠喚醒周期，進(jìn)食/禁食節(jié)律和瘦素分泌等的節(jié)律[1]。生物鐘的作用機(jī)制是通過(guò)視網(wǎng)膜接受外圍環(huán)境光刺激，將晝夜節(jié)律性的光信號(hào)傳輸?shù)轿挥谙虑鹉X的中央生物鐘視交叉上核(SCN)的和外周器官中的多個(gè)周?chē)镧奫2]。在SCN中激發(fā)中央蛋白的分子震蕩環(huán)路，其主要由CLOCK/BMAL1等正向調(diào)節(jié)因子和CRY/PER/REV-ERBα等負(fù)反饋因子組成，SCN會(huì)通過(guò)神經(jīng)調(diào)節(jié)和激素分泌的方式同步其他組織器官的生物鐘系統(tǒng)[3-4]。

棕色脂肪組織是一種內(nèi)分泌器官，擁有將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的能力。通過(guò)解偶聯(lián)蛋白1(UCP-1)介導(dǎo)的產(chǎn)熱過(guò)程消耗化學(xué)能。UCP-1基因表達(dá)由冷溫，交感神經(jīng)系統(tǒng)和β-腎上腺素能受體(βARs)高度誘導(dǎo)[5]。BAT的晝夜信號(hào)整合了來(lái)自SCN和腹內(nèi)側(cè)下丘腦的輸入，形成了BAT葡萄糖攝取和能量消耗的生物節(jié)律[6]。

AS是大多數(shù)心血管疾病的病變基礎(chǔ)，可引起幾種臨床上重要的心血管疾病。當(dāng)AS斑塊發(fā)展的不穩(wěn)定時(shí)，就容易破裂，從而導(dǎo)致中風(fēng)、心肌梗死和猝死[7]。同時(shí)，AS也是一種以動(dòng)脈壁脂質(zhì)和白細(xì)胞積聚為特征的炎癥性狀態(tài)。當(dāng)AS中的內(nèi)皮功能障礙超過(guò)血管擴(kuò)張能力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致正常內(nèi)皮的抗血栓形成、纖維蛋白溶解、抗炎和抗氧化等功能紊亂。

2 生物鐘與BAT

生物鐘、體溫調(diào)節(jié)和BAT活動(dòng)之間存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用，生物鐘對(duì)新陳代謝有節(jié)律性調(diào)控作用，這使得營(yíng)養(yǎng)利用和能量穩(wěn)態(tài)與晝夜節(jié)律相適應(yīng)[3]。許多研究表明生物鐘參與BAT功能的發(fā)揮。一方面，視網(wǎng)膜的光輸入信號(hào)是連接中心時(shí)鐘和BAT功能的潛在組件，它可以傳遞到中心時(shí)鐘SCN的視網(wǎng)膜下丘腦束可以通過(guò)其神經(jīng)元投射刺激BAT的產(chǎn)熱活性[3]。鑒于光是SCN的主要同步線索，因此光的季節(jié)變化或過(guò)度暴露于人工照明對(duì)BAT活動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響并不奇怪[6]。另一方面，目前的研究結(jié)果表明，晝夜節(jié)律和冷調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)匯集在BAT的核受體逆轉(zhuǎn)ERBα(REV-ERBα)上，以建立和維持產(chǎn)熱節(jié)律性，同時(shí)使生物體更好地適應(yīng)外部溫度的變化，而且REV-ERBα被證明可直接抑制UCP-1的表達(dá)和產(chǎn)熱能力[8]。有趣的是，UCP-1基因表達(dá)由冷溫交感神經(jīng)系統(tǒng)和β-腎上腺素能受體(βARs)高度誘導(dǎo)，βAR信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)于維持基礎(chǔ)UCP-1表達(dá)并將BAT晝夜節(jié)律性與中心時(shí)鐘耦合是必要的。β-腎上腺素能受體控制棕色脂肪UCP-1基調(diào)和冷反應(yīng)而不影響B(tài)AT的晝夜節(jié)律性。這一發(fā)現(xiàn)還暗示βAR介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)優(yōu)于同樣調(diào)節(jié)產(chǎn)熱的生物鐘組分REV-ERBα[5]。

一些主要的時(shí)鐘基因會(huì)對(duì)BAT的分化發(fā)育產(chǎn)生促進(jìn)或抑制效果，其中BMAL1、PER和REV-ERBα可直接與BAT形成級(jí)聯(lián)相互作用以調(diào)節(jié)BAT形成[3]。BMAL1通過(guò)調(diào)控細(xì)胞分化信號(hào)通路關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGFβ)和骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的直接轉(zhuǎn)錄來(lái)抑制棕色脂肪生成；BMAL1激活TGFβ或抑制BMP途徑來(lái)達(dá)到抑制棕色脂肪生成。REV-ERBα的分化增強(qiáng)促進(jìn)棕色脂肪組織發(fā)育和形成[9]。這為以后研究REV-ERBα激動(dòng)劑增加能量消耗，降低脂肪、血漿TG和膽固醇的含量，從而改善血脂異常，為減少肥胖的發(fā)生提供了可能[10]。

已有報(bào)道稱，時(shí)鐘基因是由交感神經(jīng)系統(tǒng)通過(guò)刺激棕色脂肪細(xì)胞分泌的腎上腺素能信號(hào)來(lái)調(diào)控的。b-腎上腺素能信號(hào)傳導(dǎo)是誘導(dǎo)BMAL1響應(yīng)冷暴露所必需的。例如在體內(nèi)和體外培養(yǎng)的棕色脂肪細(xì)胞中，通過(guò)冷暴露和β-腎上腺素能激活誘導(dǎo)BMAL1的表達(dá)，提示BMAL1的表達(dá)可能是腎上腺素能信號(hào)的直接靶點(diǎn)[11]。而B(niǎo)MAL1是核心分子時(shí)鐘機(jī)制的必需正調(diào)節(jié)因子，缺乏BMAL1的小鼠嚴(yán)重破壞了生物鐘的功能[3,12]。也就是說(shuō)，機(jī)體可以通過(guò)棕色脂肪腎上腺素能信號(hào)進(jìn)而影響整個(gè)生物鐘的節(jié)律性。在BAT產(chǎn)熱功能方面，BMAL1會(huì)促進(jìn)其產(chǎn)熱，REVERBα則會(huì)抑制其產(chǎn)熱。而在BAT的分化形成方面，兩者功能是相反的，REV-ERBα?xí)龠M(jìn)BAT的分化發(fā)育而B(niǎo)MAL1則起到抑制作用。

3 生物鐘與AS

有文獻(xiàn)表明，心肌梗死和中風(fēng)的發(fā)病與時(shí)間有關(guān)，并在清晨達(dá)到高峰，從而提示了生物鐘可能對(duì)調(diào)節(jié)斑塊穩(wěn)定性的過(guò)程產(chǎn)生影響[4]。

晝夜節(jié)律紊亂會(huì)導(dǎo)致血管損傷，加重AS。BMAL1 基因是生物鐘的核心基因。在小鼠中，BMAL1基因的缺失會(huì)破壞生物鐘相關(guān)的振蕩基因表達(dá)和行為節(jié)律性的一致性[13]。研究表明，用的BMAL1在血脂和AS的調(diào)節(jié)中起重要作用[14]。實(shí)驗(yàn)中，BMAL1-/-APOE-/-和L-BMAL1-/-APOE-/-小鼠的高脂血癥和AS明顯高于APOE-/-小鼠[14]。腺病毒介導(dǎo)L-BMAL1-/-APOE -/-和APOE-/-小鼠肝臟BMAL1的過(guò)度表達(dá)可降低高脂血癥和AS的發(fā)生[14]。BMAL1的缺乏也會(huì)導(dǎo)致腸道膽固醇吸收增多增加高脂血癥的發(fā)生[15]，進(jìn)而促進(jìn)AS的形成。BMAL1的表達(dá)下調(diào)也與組蛋白去乙酰化酶(SIRTUIN1，SIRT1)功能缺失有關(guān)，SIRT1對(duì)BMAL1可能有正反饋調(diào)節(jié)作用[16]。同時(shí)SIRT1的活性也有晝夜變化，它在AS中起著重要的保護(hù)作用[17]。通過(guò)光照異常促進(jìn)斑塊形成，引起SIRT1水平的紊亂以及晝夜振蕩紊亂，甚至加劇脂質(zhì)代謝基因和時(shí)鐘基因紊亂[18]。因此，SIRT1的表達(dá)障礙可能促進(jìn)AS的形成。又或者是SIRT1功能異常導(dǎo)致了BMAL1的表達(dá)障礙或缺乏，從而促進(jìn)小鼠AS的形成。

同時(shí)，AS也是一種慢性炎癥狀態(tài)，內(nèi)皮功能的障礙和粘附分子的增加可引起AS斑塊的形成。研究表明，核心時(shí)鐘蛋白BMAL1和CLOCK可影響AS病變的炎癥過(guò)程[4]。CLOCK-/-APOE-/-小鼠的巨噬細(xì)胞攝取更多的修飾脂蛋白并抑制膽固醇外流，從而促進(jìn)AS形成。BMAL1的表達(dá)異常會(huì)抑制胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)的分泌[19]。而GLP-1具有抗氧化和抗AS作用，可促進(jìn)炎癥細(xì)胞中的GLP-1受體大量表達(dá)從而影響AS過(guò)程。晝夜節(jié)律不僅影響全身AS介質(zhì)，還調(diào)控血管內(nèi)皮細(xì)胞，進(jìn)而對(duì)AS產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，人AS斑塊中BMAL1的缺失與內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)變生成和斑塊易損性呈正相關(guān)[20]。

研究表明，AS小鼠的脂質(zhì)代謝相關(guān)基因表達(dá)的改變，會(huì)導(dǎo)致晝夜節(jié)律基因表達(dá)紊亂[18]。循環(huán)脂質(zhì)包括膽固醇、甘油三酯和含載脂蛋白B的低密度脂蛋白，都顯示了脂肪喂養(yǎng)動(dòng)物的晝夜節(jié)律波動(dòng)[21]。Pan等[15]發(fā)現(xiàn)在低密度脂蛋白受體缺乏背景下產(chǎn)生的高脂喂養(yǎng)的時(shí)鐘突變小鼠膽固醇代謝受損和AS增強(qiáng)。也有研究表明，氧化型高密度脂蛋白的減少與冠狀動(dòng)脈鈣化降低有關(guān)，說(shuō)明氧化型高密度脂蛋白是預(yù)防AS的潛在靶點(diǎn)[22]。這為治療AS提供了一個(gè)很好的方向?？偠灾瑫円构?jié)律紊亂會(huì)促進(jìn)炎癥、高脂血癥和AS的形成。

4 AS與BAT

已有實(shí)驗(yàn)比較了活躍棕色脂肪組織(ABAT)患者與對(duì)照組的各種臨床因素，證明了ABAT可降低動(dòng)脈炎癥反應(yīng)，對(duì)AS的發(fā)生具有一定的保護(hù)作用[23]。嚴(yán)重的棕色脂肪組織萎縮會(huì)加速AS的過(guò)程，其特征是顯著增加脂質(zhì)蓄積、AS的覆蓋范圍、病變的大小和復(fù)雜性、巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)以及促炎標(biāo)志物的表達(dá)。特異性激活BAT β3-AR(腎上腺素能受體)激動(dòng)劑CL316，243可同時(shí)抑制高脂血癥和AS的發(fā)展[24]。這是通過(guò)增加BAT對(duì)TRL(富含甘油三酯的脂蛋白)中TG-derived FA(活性脂肪酸)的攝取，形成膽固醇含量高的脂蛋白殘?bào)w，隨后加速肝細(xì)胞清除富含膽固醇的殘留物，最終降低膽固醇水平防止AS[24]。

棕色脂肪組織(BAT)能分泌眾多細(xì)胞因子參與調(diào)節(jié)AS。成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21(FGF-21)是棕色脂肪細(xì)胞分化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，主要是通過(guò)增強(qiáng)UCP 1的表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此外，在暴露于寒冷或運(yùn)動(dòng)后，F(xiàn)GF-21誘導(dǎo)局部過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ-α(PGC)-1-α上調(diào)，從而促進(jìn)脂肪組織和骨骼肌的熱發(fā)生。FGF-21整合多條允許調(diào)節(jié)人體能量平衡、血糖水平和脂代謝的途徑[25]。由活化的內(nèi)源性BAT產(chǎn)生和釋放的血清FGF-21的增加可以抑制AS，同時(shí)升高iWAT(肩胛區(qū)間白色脂肪組織)釋放的血清脂聯(lián)素。用β3-AR阻斷劑治療完全消除了BAT移植的AS保護(hù)作用，同時(shí)血清FGF-21和脂聯(lián)素水平降低。BAT移植引起的BAT活化通過(guò)AR介導(dǎo)的FGF-21脂聯(lián)素軸的激活，減弱APOE-/-小鼠中的AS發(fā)展[26]。

PRDM16是控制脂肪前體細(xì)胞向BAT細(xì)胞分化的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。PRDM16能通過(guò)與轉(zhuǎn)錄共激活物PGC-1α相互作用，促進(jìn)BAT特異性基因的表達(dá)，增強(qiáng)BAT的活性[27]。轉(zhuǎn)染PRDM16能誘導(dǎo)動(dòng)脈周?chē)厣竟δ芑罨种蒲装Y因子的表達(dá)，從而具有抑制炎癥功能的脂聯(lián)素水平升高，抑制斑塊形成。肥胖機(jī)體中炎性因子的上調(diào)會(huì)誘發(fā)BAT特異性基因UCP-1、PGC-1α、PRDM16的表達(dá)減少，降低BAT的活性[28]。因此，肥胖會(huì)引起心血管疾病的發(fā)生，以脂肪組織(包括血管周?chē)窘M織)的異常堆積為特征。肥胖時(shí)，WAT釋放脂肪酸增加，BAT和胸廓PVAT(血管周?chē)窘M織)脂質(zhì)燃燒減少，導(dǎo)致高脂血癥，AS的發(fā)生，同時(shí)，肥胖的WAT和腹部PVAT釋放促炎因子，進(jìn)一步促進(jìn)AS[29]。為了阻止AS的發(fā)展，通過(guò)激活BAT來(lái)增加脂肪酸燃燒和減少炎癥的治療方法可能是有效的[29]。

5 小結(jié)與展望

本篇綜述著重探討了生物鐘、BAT以及AS三者之間的關(guān)系，并試圖通過(guò)尋找它們之間的聯(lián)系去搭建起一條從理論到臨床運(yùn)用的可行路徑。生物鐘可以通過(guò)核心基因和時(shí)鐘蛋白因子BMAL1及相關(guān)炎癥的發(fā)生去影響AS的發(fā)展水平和BAT的分化形成以及功能的發(fā)揮。BAT產(chǎn)熱耗能有助于降低體內(nèi)脂肪含量，似乎可以達(dá)到預(yù)防AS和肥胖發(fā)生的目的。從三者的關(guān)系上看，BAT與AS的形成有著不可分割的關(guān)聯(lián)，但是具體的機(jī)制是如何還尚未清楚。就目前而言，生物鐘是BAT和AS之間關(guān)系的重要組分。嚴(yán)重的棕色脂肪組織萎縮會(huì)加速AS的過(guò)程，會(huì)促進(jìn)促炎標(biāo)志物的表達(dá)。有趣的是，晝夜節(jié)律的紊亂也可以影響炎癥的發(fā)生過(guò)程，從而促進(jìn)AS的形成。晝夜節(jié)律是否可以通過(guò)影響B(tài)AT的適應(yīng)性改變進(jìn)而影響AS的生成是一個(gè)值得探索的路徑。