棕色脂肪白色化研究進展

吳 倩，王 靜，于亮宇，于麗秀，鄧亞卉，黎維勇

(華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院藥學部，湖北 武漢 430000)

脂肪組織在調節能量平衡和葡萄糖穩態中起著至關重要的作用[1]。白色脂肪組織(white adipose tissues，WAT)由包含單個大脂質滴的WAT細胞組成，主要位于身體的皮下和腹部區域，以甘油三酸酯的形式存儲多余的能量[1]。棕色脂肪組織(brown adipose tissues，BAT)由富含大量線粒體的BAT細胞組成，主要位于嚙齒動物的肩胛間區域，與WAT相比，BAT專門消耗能量來產生熱量[2]。

脂肪器官的可塑性不僅通過干細胞的增殖和分化而發生，而且還可以通過成熟脂肪細胞的直接轉化而發生，成熟脂肪細胞在適當的刺激下通過重編程基因組，改變表型和功能而發生變化，如棕色脂肪組織的白色化[3]。肥胖中的棕色脂肪細胞功能異常，獲得白色脂肪細胞的特征，如擴大的脂滴等，熱發生受到損害，定義為棕色脂肪在細胞中的白色化[4]。透射電鏡下觀察，白色化的BAT細胞含有擴大的內質網、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，人體內的BAT逐漸白色化減少[5]。棕色脂肪組織中含有豐富的解偶聯蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)，其介導的線粒體的解偶聯通常與BAT的適應性產熱有密切關系。但老化的BAT細胞喪失了對響應冷刺激的增殖能力和UCP1表達能力[6]。肥胖和衰老過程中BAT的白色化和丟失促進了代謝紊亂和相關疾病的發生，減緩BAT的白色化可能是對抗肥胖及代謝紊亂的另一個重要途徑。

1 棕色脂肪組織白色化誘導因素

1.1 高脂飲食高脂飲食引起的肥胖會導致毛細血管稀疏和BAT中的功能性缺氧，從而導致線粒體功能障礙和脂質滴積聚引起的BAT白色化[7]。小鼠在高脂飲食17周后，出現了BAT白色化，其特征是脂肪細胞的單室化和葡萄糖不耐受平行的熱原標記減少[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胞形態和促進皮下脂肪細胞的白色化。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 高環境溫度瘦小鼠的BAT細胞保持在28 ℃，溫度接近嚙齒動物的熱中性時，獲得白色的單室脂肪細胞表型[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，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胞均表現出形態上的白色化，但使用體內的細胞類型特異性分析后發現米色(但不是棕色)脂肪細胞與溫度相關的表觀基因組可塑性的獨特范式，并從棕色轉化為白色染色質狀態[12]。

1.3 糖皮質激素有研究發現，地塞米松誘導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BAT中自噬和自噬相關蛋白7(autophagy related 7，ATG7)的表達有關[13]。由糖皮質激素引起的BAT的白色化在缺乏脂肪細胞糖皮質激素受體的小鼠中會減弱，但糖皮質激素受體對高脂飲食引起的白色化沒有影響[14]。另有研究發現，糖皮質激素對BAT的功能調節具有物種特異性差異。糖皮質激素可通過增加UCP-1急性提高健康人體內和體外BAT，卻會降低小鼠米色/棕色脂肪細胞中的UCP-1[15]。

2 棕色脂肪白色化調控因子

BAT的白色化是由多個調控因子影響的，不同的調控因子從不同的方向影響BAT的白色化進程，見Tab 1。

2.1 影響線粒體功能的調控因子VEGFA：血管內皮生長因子A(avascular endothelial growth factor A，VEGFA)是一種高度特異性的促血管內皮細胞生長因子。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，又可恢復血管分布，改善BAT細胞功能障礙。肥胖或VEGFA消融引起的BAT毛細血管稀薄，減少β-腎上腺素能信號，增加線粒體活性氧產生，并促進線粒體自噬造成BAT缺氧[7]。反之，BAT缺氧導致β腎上腺素能信號進一步受損，VEGFA表達更大的喪失，BAT功能障礙進一步增加[16]。

SIRT家族：酵母沉默信息調節子2(silent information reguylator 2，Sir2)相關酶類(Sir2-related enzymes，Sirtuin)家族是組蛋白去乙酰化的重要酶類，其中SIRT1參與調節細胞能量穩態和線粒體生物。白藜蘆醇通過促進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)信號抑制BAT的白色化，導致能量消耗增加，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的體重增加[17]。SIRT3是一種關鍵的線粒體脫乙酰酶，辣椒素對高脂飲食誘導的肥胖和BAT的白色化的抑制作用依賴于SIRT3的參與。SIRT3介導了辣椒素對緩解高脂飲食誘導的活性氧生成、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啟動子上的h3k27ac水平，抑制線粒體鈣超載。此外，辣椒素可逆轉高脂飲食對AMPK活性的抑制作用，逆轉SIRT3的表達，抑制衰老誘導的BAT的白色化[18]。SIRT6的缺失會損害BAT細胞的生熱功能，導致BAT白色化，減少氧氣消耗，并降低核心體溫和降低對寒冷的敏感性[19]。

Tab 1 Key regulators of BAT whitening

GABA：BAT中的外周γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)信號誘導肥胖癥的代謝功能障礙。交感神經系統激活中樞神經系統中的GABA信號抗肥胖。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BAT白色化，降低耐寒性試驗的生熱反應，并導致肥胖小鼠的全身代謝功能障礙。鈣超載會抑制線粒體功能，用GABA處理BAT細胞可顯著增加線粒體鈣水平，促進活性氧(ROS)的產生，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)的丟失誘導棕色到白色的脂肪細胞轉化和氧化代謝到糖酵解代謝的轉變。這種轉變與BAT特異性下調和WAT選擇性基因表達上調相關。與對照組小鼠相比，Lsd1敲除小鼠的WAT選擇性基因(95%)在BAT中上調，而BAT選擇性基因(67%)顯示降低。Lsd1與CoREST復合體成員，特別是Rcor1和Rcor3的協同作用，抑制了WAT選擇性基因的表達。此外，BAT中Lsd1的缺乏會導致與氧化磷酸化相關基因的轉錄水平降低相關的嚴重的線粒體功能障礙[21]。

2.2 促進炎癥反應的調控因子Fractalkine是由脂肪細胞合成的趨化因子，脂肪細胞將表達Fractalkine受體(CX3CR1)的白細胞募集到脂肪組織中。與CX3CR1缺陷的動物相比，Fractalkine信號保持完整的動物在富脂(FatED)飲食期間體重增加。Fractalkine導致巨噬細胞在BAT中積累，并增加了促炎性介質的表達。局部BAT炎癥伴隨著脂肪酶表達的增加，并導致棕脂的白色化。相比之下，Fractalkine受體缺乏阻止了巨噬細胞的積累，選擇性減弱促炎介質的表達，增加脂解酶的BAT表達，并且上調熱發生基因[22]。脂肪甘油三酯脂肪酶(adiposetriglyceride lipase，ATGL)缺乏的小鼠中，BAT發生了從棕色到白色的轉化。基因表達分析表明，ATGL缺陷小鼠的BAT白色化與強烈的炎癥反應和核苷酸結合寡聚化結構域樣受體家族pyrin結構域蛋白 3(NOD- like receptors family，pyrin domain containing 3，NLRP3)炎癥小體激活有關。扭曲的BAT細胞易死亡，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[23]。長的非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)逐漸成為脂肪細胞分化和基因表達的強大調節劑。Blnc1為棕色和米色脂肪細胞分化的保守lncRNA調控因子。Blnc1的脂肪特異性失活損害了冷誘導的產熱和褐變，并加劇了肥胖相關的BAT白色化。Blnc1在脂肪組織中的轉基因表達促進有益的代謝作用。從機制上講，Blnc1細胞通過其蛋白伴侶Zbtb7b自動減弱促炎細胞因子信號傳導并促進脂肪細胞中的燃料存儲[24]。

2.3 與交感神經相關的調控因子Tsukushi(TSK)是一種可誘導的肝因子，可響應增加的能量消耗。肥胖者肝TSK表達和血漿TSK水平升高。肥胖癥中過多的TSK會促進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支配和去甲腎上腺素的釋放，從而導致腎上腺素能信號傳導和生熱作用增強，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通過鹽皮質激素受體途徑調節BAT中的β-腎上腺素反應。在肥胖和冷暴露的小鼠中，TASK-1與UCP1表達高度相關。此外，與對照組相比，敲除了Task1(-/-)的小鼠超重，主要是因為WAT量增加和棕脂的白色化。Task1(-/-)小鼠BAT細胞β3腎上腺素能受體反應受損，耗氧量、UCP1表達和脂解減少。該表型被認為是由于鹽皮質激素受體信號轉導加劇所致，因為它模擬了皮質激素并被MR抑制劑逆轉[26]。

2.4 有性別差異的調控因子泛素連接酶Siah2是雌激素的轉錄靶標，Siah2的缺失促進了雄性BAT的白色化，卻抑制了高脂飲食引起的雌性BAT的白色化。這可能是因為雌性中產熱基因(Pgc-1α，Dio2，Ucp-1)和蛋白質(Pgc1α，Ucp-1)的表達增加所致。并且，在HFD喂養的雌性動物中，雌激素受體α(estrogen receptorα，ERα)和雌激素受體相關受體γ (estrogen receptor-relatedreceptorγ，ERRγ) 的蛋白表達大大降低。這表明Siah2可通過調節BAT中的ERα和ERRγ蛋白水平來抑制女性對慢性營養過剩的熱反應[27]。在食物攝入沒有變化的情況下，體內脂肪細胞特定的骨形態發生蛋白抑制劑Noggin缺失促進了雌性和雄性的年齡相關性肥胖。Noggin的缺失促進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標志物和熱基因的表達降低，包括Pgc-1α和Ucp1以及與脂肪形成和脂質代謝相關的基因，而雄性在與脂肪形成和脂質代謝相關的基因上有早期變化[28]。

2.5 其他調控因子敲除VEGFB基因可誘導肥胖表型，包括WAT 的擴張，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生了廣泛變化。同時，WAT相關基因的表達增加，而BAT相關基因的表達減少[29]。組蛋白H3K9特異的甲基化轉移酶SETDB1，催化H3K9的三甲基化，通常起轉錄抑制作用。在BAT上缺失SETDB1的小鼠其BAT呈現WAT的形態，其脂滴大小遠遠大于正常的BAT細胞。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協同抑制白色相關基因，控制了細胞內的脂滴代謝的穩態，保證BAT的形態結構功能正常[30]。

3 總結

人體內棕色脂肪的存在為解決日益增長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程，減緩或抑制白色化進程具有重要的臨床意義。但目前的研究主要集中于動物水平和細胞水平且研究零散，還無法形成完整的調控機制。因此還需要深入研究歸納，并在人類身上進一步探索驗證。