褐色脂肪組織發育規律及生熱作用研究進展

張艷梅 金 海 李長青

(1.內蒙古農業大學動物科學學院，內蒙古自治區高校動物營養與飼料科學重點實驗室，呼和浩特 010018；2.內蒙古自治區農牧業科學院，呼和浩特 010031)

體溫不恒定是新生幼畜圍產期死亡的主要原因之一[1]。新生幼畜的存活高度依賴于褐色脂肪組織(brown adipose tissue，BAT)產熱，以維持核心體溫去抵御外界寒冷環境[2]。脂肪組織的生長是胎兒發育階段中最重要的過程之一，除白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)外，幾乎所有的胎盤哺乳動物都具有BAT，其物理和形態特征都與WAT截然不同。WAT的功能主要是以甘油三酯的形式儲存能量，而BAT主要通過特有的解偶聯蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)消耗能量物質為機體提供熱量，BAT在冬眠動物體內的含量較為豐富，嚙齒類動物體內也含有較多的BAT。母羊妊娠期70～125 d是其胎兒BAT增殖發育階段，大部分聚集在腎周區域，并在出生第1天時達到最高含量，然后隨著年齡的增加逐漸減少[3]。

目前，已有較多研究通過調控母體營養水平來干預后代羔羊的BAT含量，以改善其生熱作用，提高抗寒能力，降低死亡率及發病率，其中研究較為廣泛的是精氨酸的使用[4]。除生熱作用外，研究較多的為BAT的潛在抗肥胖功能，褐色脂肪細胞和米色脂肪細胞基于代謝高度活躍，并具有消耗能量的功能，因此，誘導其增殖發育已被廣泛認為是人類對抗肥胖及代謝性疾病的潛在治療手段[5]。此外，李唐等[6]研究指出，BAT代謝還對動物的生長發育產生影響，可通過調控影響BAT含量的關鍵因素來調節畜禽肌肉及脂肪的分化與比例，以提高其肉品質及營養價值。因此，探究家畜BAT功能特性及調控手段，對改善其生長發育，優化育種，提高肉品質和營養價值，開發出更經濟、更健康和更適用于受肥胖或減肥等困擾人群的功能性食品具有重要的意義。因此，本文從研究較為廣泛的嚙齒類動物及綿羊等著手，對其體內BAT發育規律、米色脂肪組織及生熱作用機制和應用等進行綜述，以期為后續相關研究領域提供理論依據。

1 BAT的個體發育及分布

白色脂肪細胞內含唯一的、較大的脂滴，幾乎不表達UCP1，線粒體含量少且活性較低；而褐色脂肪細胞內含有多個較小的脂滴，線粒體含量多且活性高，高度表達UCP1(32 ku)，主要通過產熱來維持機體體溫恒定，UCP1的含量決定了BAT產熱能力[7]。褐色脂肪細胞譜系與白色脂肪細胞不同，而是源自與骨骼肌相同的前體(myf5+細胞)[8]。Alexander等[9]研究指出，羔羊褐色脂肪細胞線粒體功能特性與骨骼肌線粒體相似，但與白色脂肪細胞線粒體存在差異。

大型哺乳動物BAT大部分集中在中心器官周圍或頸部區域[10]。在出生第1天，羔羊腎周-腹部區域BAT至少占體內脂肪的60%左右，每克BAT產生的熱量比其他組織高出150～300倍[11]。綿羊BAT在胎兒時期具有2個不同的發育階段：早期增殖階段(妊娠期70～125 d)和后期準備階段(妊娠期147 d左右，為出生做準備)，并在后期準備階段時高度表達大量生熱標記物，如UCP1等[12]。而在胎兒生長發育初期，脂肪組織具有密集的細胞結構，但并無UCP1的表達[13]。Velickovic等[14]研究指出，人體BAT發育過程更類似于綿羊，在妊娠140 d時，人體脂肪組織中也出現表達UCP1的細胞。Taga等[15]研究指出，在妊娠期110 d時，綿羊胎兒脂肪組織內就存在UCP1。但在牛胎兒脂肪組織中，即使到妊娠期260 d也檢測不到UCP1的表達[16]。從上述研究可推測，羔羊與犢牛BAT含量的差異可能主要是由于犢牛的表面積與體積之比遠小于羔羊，因此犢牛在出生時單位體重散失的熱量較羔羊少很多，羊羔為了維持體溫，就必須多產熱，因此所含的BAT含量相對較多。對于牛、綿羊和山羊等早熟動物，其BAT含量在出生第1天時達到最高，并在出生后第1～28天時大部分的褐色脂肪細胞逐漸喪失功能，UCP1含量逐漸減少[17]，同時伴隨BAT向WAT的轉化，但不會完全消失，其機制與嚙齒類動物存在巨大差異[18]，并且轉化程度及速率也因不同部位而異[19]。以前的研究認為，BAT不存在于成年動物體內，但是Cypess等[20]的研究指出，成年嚙齒類動物及人體內也存在BAT，并且對調節機體能量代謝發揮著重要的作用。人體鎖骨(或頸部)脂肪中UCP1的表達一直保持到成年，但是腎上腺周圍脂肪組織內則不會保留[21]。因此，成年人鎖骨部位脂肪對寒冷[22]和攝食[23]均有顯著的生熱反應。Symonds等[24]研究指出，羔羊胸骨及腹膜后脂肪組織中UCP1 mRNA的表達量較為豐富，在大網膜脂肪中的表達量較低。Henry等[25]研究指出，成年綿羊胸骨及腹膜后脂肪中也均有UCP1 mRNA的表達，且胸骨脂肪中的表達量較高。由此可知，成年綿羊體內也存在BAT。Asano等[26]研究指出，成年牛體內也能檢測到BAT。但對于山羊，僅有1項研究提出1月齡羊羔體內含有BAT[27]。嚙齒類動物肩胛間區域存在大量的BAT[28]，但綿羊等大型哺乳動物體內的BAT含量本就較少，且不具有肩胛間區域的BAT，其中有些褐色脂肪細胞散布在WAT上[29]。

2 BAT的生熱作用

機體能量代謝主要由基礎代謝率、身體活動及生熱作用組成。當哺乳動物處于熱中性溫度時，所產生的熱量主要通過基礎代謝，并且機體60%～70%代謝性產熱發生在心臟、肝臟、腎臟及大腦[15]。在反芻動物中，由瘤胃微生物發酵產生的熱量占總熱量的8%左右[30]。生熱作用是一個主要通過脂肪組織進行的生理過程，當外界環境溫度變化時，是維持體溫的必要條件[31]。在寒冷環境下，散熱量顯著增加，機體需增加產熱來維持體溫的相對恒定，包括2種產熱方式，即顫抖性產熱(shivering thermogenesis)和非顫抖性產熱(non-shivering thermogenesis，NST，也叫適應性生熱作用)。哺乳動物在寒冷環境下首先通過骨骼肌的不隨意節律性收縮(9～11次/min)，也就是顫抖來為機體提供熱量[32]，但也不可能會一直保持不斷顫抖的狀態，因此長期暴露于寒冷環境時動物會停止顫抖，動用NST(與肌肉收縮無關，通過脂肪組織)來為機體提供熱量，同時使代謝率保持在較高的水平。

2.1 BAT生熱作用機制

NST能使動物在非常短的時間內產生大量的熱量。Puigserver等[33]研究指出，BAT是NST產熱的主要作用位點及能量儲備物，由支配脂肪組織的交感神經系統控制。羔羊剛出生時，其體內BAT含量達到最高，NST占總生熱作用的50%左右，但隨著出生后肌肉組織通過顫抖擁有的產熱能力，BAT含量急劇減少，NST顯著降低，但也不會全部消失[3]。在寒冷刺激下，由交感神經末梢釋放的去甲腎上腺素與Gs-蛋白偶聯的β3-腎上腺素能受體結合，增加細胞內環磷酸腺苷(cyclic AMP，cAMP)，激活蛋白激酶A(protein kinase A)，上調脂類分解及生熱基因的表達，通過激活褐色脂肪前體細胞的增殖和分化來刺激BAT的擴張[34]，并促進褐色脂肪細胞內甘油三酯等脂類的分解，反過來，由此過程產生的脂肪酸也可直接作為UCP1的激活物和褐色脂肪細胞呼吸作用的能量[35]。BAT被激活后，存在于BAT線粒體內膜上的UCP1通過線粒體呼吸解偶聯作用，介導氫離子(H+)內流，使跨膜質子電化學梯度消失，二磷酸腺苷(ADP)無法進行磷酸化生成ATP，從而將葡萄糖、脂肪等分解產生的能量直接轉化為熱量[36]，自由能以熱形式釋放，形成BAT產熱和能量代謝過程[37]。由于新生動物不能發生顫抖，因此NST對于幼畜體溫的維持至關重要。寒冷或β-腎上腺素是最有效的BAT激活物，而BAT未被激活時，UCP1活性被胞內嘌呤核苷酸抑制[38]。

除胞內脂肪酸外，褐色脂肪細胞還可利用胞外葡萄糖和脂類物質進行生熱作用[39]。Winther等[40]研究指出，在寒冷或β-腎上腺素刺激下，BAT內涉及葡萄糖吸收與分解代謝的酶和蛋白質，如葡萄糖轉運體和己糖激酶活性顯著增加。Nguyen等[41]研究指出，在所有組織中，BAT是攝糖量最高的組織。Schreiber等[42]研究指出，由三羧酸循環過程中產生的脂肪酸也可被用于生熱作用，尤其在禁食條件下。BAT對羔羊[43]、兒童[44]和成年人的食物誘導產熱(post-prandial thermogenesis)也可產生影響，但對嚙齒類動物的作用仍存在爭議。

2.2 骨骼肌與米色脂肪組織的生熱作用

機體生熱作用不僅發生在褐色脂肪細胞，在米色脂肪細胞和骨骼肌也可發生此類反應，且其調節機制也均不相同。米色脂肪細胞來源于多潛能平滑肌細胞系分化的前體脂肪細胞[45]，是在嚙齒類動物和人體中發現的新型產熱細胞[46]。在寒冷或交感神經系統/β-腎上腺素能受體激動劑誘導(β-adrenergic receptor agonist，β-AR agonism)下，米色脂肪細胞在WAT內出現(這種現象也可稱為WAT的“褐色化”或“米色化”)，具有褐色脂肪細胞的特征，但與褐色脂肪細胞卻有不同的遺傳指紋，與白色脂肪細胞也截然不同，線粒體活性介于白色和褐色脂肪細胞中間(brown-in-white)，含有1個以上的脂滴，其細胞群被白色脂肪細胞包圍，擁有獨特的分子特征[47]。褐色脂肪細胞高度表達產熱基因如UCP1，而米色脂肪細胞只在寒冷或β-AR agonism誘導下才會表達這些基因，且UCP1含量只有BAT的10%[48]。近年來，大量的研究均利用UCP1蛋白或mRNA的表達量作為米色脂肪細胞的標記物，但是除了UCP1，還有多種途徑均有助于米色脂肪細胞的產熱，如內質網鈣離子循環和耗能性肌酸無效循環(futile creatine cycling)等[49]。然而，米色脂肪細胞在綿羊、豬等大型哺乳動物體內的產熱作用及對能量消耗的影響報道較少，需進一步研究。

當UCP1缺失和/或非顫抖性產熱受到影響時，骨骼肌通過顫抖來產生熱量，由碳水化合物和脂類提供能量[50]。骨骼肌的生熱作用依賴于UCP1的同源物解偶聯蛋白3(UCP3)。Gong等[51]研究指出，肌原細胞表達的UCP3具有解偶從酵母細胞分離的線粒體氧化磷酸化的作用。除線粒體解偶聯，骨骼肌也可通過耗能性鈣無效循環(futile calcium cycling)產生熱量[52]。Bal等[53]研究指出，對嚙齒類動物摘除BAT(手術切除)或UCP1(基因敲除)時，肌脂蛋白會通過增加骨骼肌生熱作用來適應寒冷環境，而肌脂蛋白在大型哺乳動物中的產熱作用還未被探索，需要更深入的研究。在人體BAT中，寒冷暴露能增加其BAT活性，同時提高UCP1含量，但在骨骼肌中，寒冷暴露對UCP3的表達沒有影響[54]，然而骨骼肌對葡萄糖的攝入和利用卻顯著高于BAT。鑒于哺乳動物骨骼肌約占體重的40%，因此可以認為，骨骼肌生熱作用的微小變化可能對機體產熱能力及能量消耗產生較大影響。綿羊采食飼草后其骨骼肌和脂肪組織的生熱作用均會增強，即食物誘導產熱增加。Clarke等[55]研究指出，成年羊采食后骨骼肌生熱作用的增強與其UCP3表達量及耗能性鈣無效循環標記物蛋白和/或基因表達的增加相關。Henry等[56]研究指出，對成年羊注射瘦素蛋白可提高其骨骼肌及腹膜后脂肪生熱作用，UCP3表達量也增加。因此可以看出，盡管成年綿羊體內UCP1含量相對較低，但骨骼肌及特定脂肪組織仍具有一定產熱能力。

3 BAT的研究與應用

新生幼羔BAT產生的熱量占總體熱的50%左右，因此有較多研究通過對妊娠母羊進行某些干預來調控其后代羔羊體內BAT含量，以提高羔羊存活率，尤其在寒冷的冬季。Satterfield等[57]研究指出，對妊娠后期無限飼和50%限飼母羊每日注射精氨酸3次，持續25 d時，其后代羔羊腎周區域BAT的含量分別提高了48%和60%，可能是由于精氨酸在胎兒生長發育過程中誘導了褐色脂肪前體細胞的增殖或分化，但具體機制仍不明確。妊娠期母體營養調控也可對其胎兒UCP1的含量產生影響。Bispham等[58]研究指出，從妊娠中期開始增加母羊采食量時不僅能提高其后代羔羊BAT數量，還能增加UCP1蛋白豐度。Ojha等[59]研究指出，對妊娠后期母羊進行限飼時會顯著減低其胎兒體內脂肪中UCP1蛋白豐度，降低生熱作用穩態，但是，飼喂高能量飼糧時并不會對脂肪組織或骨骼肌的生熱作用穩態產生任何影響[25]。楊歡[60]研究指出，妊娠后期宮內生長限制能抑制蒙古綿羊胎兒腎周BAT轉錄因子及脂肪因子的表達，UCP1表達量顯著降低，腎周BAT發育受阻。但是，目前關于綿羊母體營養調控對其UCP1蛋白的作用機制尚不清楚。

基于BAT通過消耗機體內葡萄糖和脂肪酸等能量物質來產熱，因此誘導BAT活性或數量的增加被認為是治療或預防肥胖和代謝疾病的有效方法，目前在嚙齒類動物上已經進行了較多的相關研究。Feldmann等[61]研究指出，小鼠UCP1的缺失能導致其肥胖，而激活BAT，增加UCP1含量時能顯著提高其胰島素敏感性，表現出抗肥胖功能。BAT活性及其有益作用在人體中也具有同樣的意義。Carpentier等[35]研究指出，暴露寒冷環境時人體內BAT活性增加，并與肥胖呈負相關。因此，應更深入地了解與研究BAT代謝調節和生熱過程，以期為肥胖和相關代謝疾病提供治療靶點。米色脂肪組織作為一種新型產熱組織，其研究熱度在近年來也是有增不減。除寒冷條件外，Kang等[62]研究提出，黃酮類化合物也能促進機體BAT發育和米色脂肪組織形成，可通過有效調節NST來增加能量消耗，以達到抗肥胖目的。因此可以認為，調節幼羔WAT的褐色化(米色脂肪組織的形成)能提高其產熱能力。Zhang等[63]研究指出，飼糧中添加沙棘果渣能促進舍飼幼羔腹股溝WAT的褐色化，增加線粒體數量，顯著增加其產熱能力。Wu等[64]研究指出，當米色脂肪細胞被充分激活時，可在功能上模仿褐色脂肪細胞的代謝反應。因此，除生熱作用外，WAT中米色脂肪細胞的誘導生成被認為具有改善機體胰島素抵抗的作用。目前，大多數關于米色脂肪組織的研究都局限于成年嚙齒類動物，并且幾乎均提出其WAT具有褐色化能力[65]。Aldiss等[66]研究指出，WAT褐色化是機體通過降低胰島素抵抗來實現，被認為是治療代謝性疾病的重要手段。由此可知，誘導WAT的褐色化能導致其從儲存能量的組織轉變為消耗自身能量的組織。然而，這種變化最終是否會顯著影響肥胖并介導機體整體代謝穩態，仍存在爭議[67]，有待進一步研究。

4 小 結

BAT對新生幼畜體溫的恒定至關重要，其在出生第1天時達到最高含量，并隨著肌肉組織通過顫抖獲得的產熱能力而急劇減少，但也不會完全消失。寒冷是誘導BAT中UCP1激活的有效生理刺激，然而，持續的寒冷刺激還能誘導WAT內產生米色脂肪細胞。BAT及米色脂肪組織不僅僅是一個產熱組織，還具有調控機體整體能量代謝穩態的作用，二者被認為是提高幼畜存活率及治療人體肥胖和代謝疾病的潛在手段。除BAT及米色脂肪組織外，骨骼肌也對動物產熱和能量消耗有不同的影響。

未來可對家畜的產熱組織進行全面研究，尤其是對其WAT的褐色化能力，也就是對米色脂肪組織的功能特性，以確定并開發出其潛在的多種功能，達到改善其抗寒能力、優化育種、提高生產性能、增加經濟效益等目的。同時，進一步研究通過飼料營養調控來干預家畜BAT及米色脂肪組織的水平，比如黃酮類化合物等綠色飼料添加劑的使用，以改善家畜的能量代謝水平，調節脂肪與肌肉的比例和分化，提高畜禽肉品質。