下丘脑控制棕色脂肪组织产热的研究进展

郭凤英,杨文雅,范奎奎,潘 登,钱英红,杜晨光,

(1.内蒙古农业大学职业技术学院,内蒙古 包头 014109;2.内蒙古农业大学兽医学院,内蒙古 呼和浩特 010018;3.内蒙古自治区农牧业科学院,内蒙古 呼和浩特 010031)

棕色脂肪组织(brown adipose tissue,BAT)是调节小型哺乳动物体温的重要组织,具有产热效应[1],在体温调节过程的作用不可小视。脑神经元回路通过交感神经系统控制BAT产热,多数控制BAT生热的神经元回路在能量平衡调节中发挥积极作用,BAT产热控制被众多脑系统调节,主要是下丘脑和脑干,以确保BAT的自主控制[2]。本文概述了机体产热及能量平衡系统的体温调节通路及作用,阐述了下丘脑内环境稳态调控BAT生热的其他途径,即黑皮质素、内源性大麻素系统及腹内侧下丘脑(ventromedial hypothalamus,VMH)的类固醇生成因子 1(steroidogenic factor 1,SF1;也称为NR5A1)神经元,旨在进一步阐明以上系统相互作用,及此类稳态激素如何调节其活性。

1　棕色脂肪组织产热

背肩胛棕色脂肪是一种具有产热功能的组织。存在于小哺乳动物体,以非颤抖性生热(Non-shivering thermogenesis,NST)为主,故在冷环境中,产热并不依赖肌肉的活动[3];BAT的产热功能归因于解偶联蛋白1(Uncoupling protein 1,UCP1)的存在,UCP1是存在于棕色脂肪细胞线粒体内膜中的一种特殊蛋白质,能够氧化解离来自载体转运的底物[1],BAT的产热机能比较明显,使其成为啮齿动物NST的主要位点[4];有趣的是,这种组织占去甲肾上腺素(Noradrenaline,NA)诱导的代谢速率比例的75%,同时BAT可以燃烧摄入高达50%甘油三酯和75%葡萄糖,急性冷应激条件下,在甘油三酯燃烧产热过程中,BAT最多可贡献84%的生热功能[3]。均表明BAT在调节系统性底物稳态时发挥的重要作用。

2　棕色脂肪组织受交感神经系统控制

BAT的产热机能高度依赖交感神经系统(Sympathetic nervous system,SNS),BAT细胞大量参与这一过程,和甲状腺素羟化酶阳性细胞极为相像,能够高度表达β3-肾上腺素受体(β3-adrenoreceptor,β3-AR)主要能与BAT生热的G蛋白偶联受体结合,通过与SNS传出的神经节后纤维的NA释放的β3-AR结合,引起代谢过程的发生,促使底物氧化和最终热的产生[5];NA的释放通过增加环腺苷酸(Cyclic adenosine monophosphate,cAMP)水平来增强BAT细胞产热活性(如同热产生),逆向激活蛋白激酶A(Protein kinase A,PKA)和脂肪酸的最终产生(通过脂解),作为能量底物和UCP的一种激活剂。此外,增强的SNS活性还增加BAT生热的能力(棕色脂肪细胞的数量,每个脂肪细胞的线粒体的数量,UCP1和伴随的产热蛋白的表达)[7]。有趣的是,在冷环境和摄食的条件下,3β-肾上腺素能作为其激动剂,由于寒冷或药物的作用,也促进白色脂肪组织(White adipose tissue,WAT)的“波峰”的发展,如何解决大脑控制产热的过程仍需进一步研究[8-9]。

确定SNS对BAT的大脑区域调节相对困难。使用伪狂犬病病毒(Pseudorabies virus,PRV)逆行神经病毒追踪,描绘大脑区域以及连接到BAT和WAT的神经元回路;当注射到BAT时,PRV通过SNS逆向传输至大脑,与BAT的神经元通路的起点相连接,均证明了SNS能对BAT、体温及能量平衡进行调节,除轻微抑制其活化途径之外,许多下丘脑的神经核团已经与BAT生热的控制相关联,允许饮食诱导的生热作用(例如,能量稳态调节途径)[10]。这些核团包括弓状核(Arcuate nucleus,ARC),视前区域(Preoptic area,POA),背内侧下丘脑(Dorsomedial hypothalamus,DMH),旁室下丘脑(Paraventricular hypothalamus,PVH),外侧下丘脑(Lateral hypothalamus,LH)[2]。

3　体温调节路径

大脑整合外部温度变化的信息,是由几个脑核的复杂神经通路参与调控的。在下丘脑中,直接视前区(Preoptic area,POA)是其接收温度调节的主要作用部位,能接受来自皮肤中的热感受器刺激的传入。POA包括正中视前区,内侧视前区,外侧视前区和视前交叉区[12]。冷却诱导实验证明,POA在啮齿类动物BAT的SNS能被激活。冷刺激主要通过γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)神经元信号,最终对触发产热的DMH部位神经元产生抑制效应。同时,POA能控制产热作用的其他下丘脑核,包括VMH和PHV[13]。

能接受来自POA调节脂肪组织代谢输入的另一个的区域是DMH部位。该部位参与代谢行为和功能活动的发挥,包括体重调节。DMH部位神经元的刺激和抑制效应,分别是通过谷氨酸和GABA受体拮抗剂的作用引起,增加BAT产热从而提高机体温度[14]。最近研究也确定了DMH部位胆碱能神经元的一个子集,其活性受环境温度的升高而增强,且与BAT活性及体温变化有关[15]。重要的是,DMH部位的异常能减弱外部冷刺激引起的POA刺激BAT生热能力的变化,使得BAT的POA功能被激活,同样包括 DMH部位。此外,DMH部位是POA依赖性生热的中间转化部位,神经元跟踪研究已经确定了这一神经元区域,即 POA能作为从DMH部位逆行标记的神经元区域[16]。

4　BAT产热平衡的下丘脑途径

BAT的活性可能受调节能量稳态神经元的调节,这些神经元位于下丘脑ARC、PVH、LH和VMH部位[2]。神经元对能量平衡变动敏感,并独立于POA-DMH-前视区(Preoptic area;RPa)温度调节通路而发挥作用,如PVH神经元能直接投影到IML[17-18]。早期研究表明,黑皮质素和内源性大麻素系统,以及VMH的SF1神经元在下丘脑能量稳态调节产热的途径中也起关键作用。

5　黑皮素系统控制的BAT生热

黑素皮质素系统是维持能量平衡的关键组成部分。主要包括产生黑皮质素和刺鼠相关肽(Agoutirelated peptide,AgRP)的神经元,以及黑皮质素受体-3(Melanocortin-3 receptor,MC3R)和黑皮质素受体-4(Melanocortin-4 receptor,MC4R)的神经元。AgRP已被作为黑皮质素受体反向激动剂[19]。黑皮质素系统的活化基本上在ARC发生。ARC包括至少两个已知的神经元群,并参与能量平衡的调节。一个群体与 AgRP、神经肽(Neuropeptide Y,NPY)和GABA一起共同合成,而另一个群体合成前阿片样皮质素。这些神经元投射到脑核,参与神经内分泌和能量代谢,包括PVH,其构成涉及能量平衡调节的ARC神经元的重要部位。POMC神经元释放α-黑素细胞刺激激素,为一肽能片段[20]。MC4R mRNA在催产素阳性细胞中发现,表明催产素神经元可能是连接MC4R信号与BAT激活的参与者。在这方面,啮齿类动物进行的逆行经神经元病毒追踪实验也已证明,BAT是连接到表达催产素PVH神经元尾部的突触[20]。还有证据显示,冷暴露或高饮食诱导的催产素或其受体的缺失能影响BAT的激活,表明这种PVH神经元群体直接参与BAT调节。然而,最近的报告表明,MC4R在催产素和促肾上腺皮质激素释放激素表达的神经元调节食物摄入,或能量消耗在MC4R基因敲出小鼠中均有表达。表明这两个神经元群体直接参与在PVH MC4R的信号传导。此外,这项研究也排除PVH血管加压素,与表达神经元直接参与MC4R依赖的BAT激活。另有研究表明,脑源性神经营养因子的神经元,也参与PVH控制食物摄取和能量消耗过程,PVH中的脑源性神经营养因子(Brain derived neurotrophic factor,BDNF)表达在冷暴露后增加,而其特异性消除抑制BAT生热。PVH的BDNF神经元不表达MC4R,因此表明MC4R在PVH中的产热效应发生在另一个未确定的神经群[21]。

6　内源性大麻素系统控制BAT生热

下丘脑能量稳态调节通路的另一个重要的因素是内源性大麻素系统。CNS内源性大麻素系统包括表达大麻素受体1型(Cannabinoid receptor type 1,CB1R)的神经元。在调节能量平衡的脑结构中表达,其产生或灭活N-花生四烯酰乙醇胺和2-花生四烯酸甘油[22]。众所周知,内源性大麻素系统的激活能降低能量消耗,因为给予大麻素受体激动剂Δ9-四氢大麻酚(D9-tetrahydrocannabinol,Δ9-THC)能抑制BAT生热。CB1R拮抗剂能增强产热的发生,当这种刺激效应完全失去后,神经组织呈现去神经现象。然而,内源性大麻素影响能量稳态的机制仍不清楚。越来越多的证据表明,内源性大麻素与黑皮质素系统有相互作用。PVH注射黑皮素受体激动剂II(Melanocortin receptors agonist melanotan II,MTII),则BAT温度的刺激效应被阻断。这些结果表明,内源性大麻素可能通过在IML水平上突触前效应抑制,刺激PVH MC4R的神经元,从而使得BAT被激活而发挥作用。后脑过度表达的水解酶单酰基甘油脂肪酶的灭活,能导致BAT活性的增加,进一步支持后脑CB1R神经元在BAT生热的推想[23]。

7　类固醇生成因子1控制BAT生热

自Hetherington和Ranson的病变研究以来,VMH已涉及多种生理行为过程[24]。早期研究已经证实,VMH损伤能严重的影响体重和食物摄取。在20世纪80年代,许多研究支持VMH在BAT SNS控制中的作用。结果显示,VMH的电刺激能增加大鼠的BAT温度。VMH损伤或电刺激进一步证明影响BAT NE转换,提示自主神经系统的动员参与该过程[25]。虽然这些研究指出了VMH和BAT生热之间的关系,但最近研究才探讨该生热功能的分子机制。这是通过SF1的发现而实现的,SF1是VMH特异性遗传的重要靶标。

CNS SF1在VMH神经元中受限表达,在许多VMH特异性转基因模型的开发中得到证明和利用。SF1-KO小鼠显示SF1在建立VMH的细胞结构必不可少。缺失可导致新生儿死亡,由于肾上腺功能不全引起,不同的方法被用于SF1模型的建立。通过将肾上腺移植到SF1-KO动物中,观察到新生儿的病原性肺炎和肥胖。因此研究人员开发了一种在出生后VMH特异性SF1-KO的模型,使用的是CamKII-Creline,并且观察到了通过受损的能量消耗,以及BAT UCP1表达减少的相似性表型。因此,SF1的发现揭示了VMH对BAT的SNS控制的许多方面。近年来,SF1-Cre模型的可利用性,已经扩展了我们对BAT的VMH-依赖性激素调节的理解。

8　体温调节途径的自我平衡

瘦素(Leptin)通过POA的GABA,能和谷氨酸能神经元促成BAT交感神经输出。瘦素缺乏的小鼠体温偏低,并且在急性寒冷暴露期间不能保护其体温。这些小鼠的体温调节缺陷归因于有缺陷的BAT,但对涉及的神经元回路知之甚少。有趣的是,外源注射瘦素能增高在寒冷时候的生存和适应能力,表明瘦素本身是正常温度调节反应所必需的。最近,在POA中以及在DMH中的瘦素受体(Leptin receptor,LEPR)神经元,代表了温度调节通路的潜在组分。表明在POA和DMH中的LEPR神经元作为温度调节的效应因子,能在调节BAT生热中发挥关键作用,DMH LEPR神经元活化能促进小鼠的BAT 生热[16]。

关于胰岛素及其受体在体调节生热中的影响了解甚少。有研究表明,在POA中注射胰岛素,通过表达胰岛素受体(Insulin receptor,IRIR)的温热敏感神经元增加BAT生热作用。胰岛素似乎超极化温感神经元,并通过DMH降低这些神经元的放电频率。是否涉及PI3K信号传导,在POA依赖性产热中连接瘦素和胰岛素的作用仍有待证实。

9　展望

进一步探明大脑如何控制BAT生热作用,是理解这种组织在能量稳态中起到代谢作用的重要先决条件。本文概述了一些主要的调节系统和通路,对于BAT生热的深入了解,需探明黑皮质素和内源性大麻素系统以及SF1神经元。从而了解这些调节系统和通路交互关系,是如何受不同的外围稳态信号影响的,及一些潜在的耦合代谢和温度调节神经通路调控BAT生热作用的途径。