MicroRNAs调控白色脂肪棕色化研究进展

李佳　格日力

青海大学医学院高原医学研究中心，青海省高原医学应用基础重点实验室，青海－犹他联合重点实验室（西宁 810001）

MicroRNAs（miRNAs）是一类小非编码的RNA分子，包含大约20～22个核苷酸，对基因表达调控具有重要意义。miRNAs普遍存在生物体内，并在许多器官和组织中表达，包括脂肪组织。哺乳动物含有两种类型的脂肪组织，即白色脂肪组织（WAT）和棕色脂肪组织（BAT），前者是机体最大的能量储存库；后者的作用则是消耗能量，维持机体体温。BAT最初是在冬眠动物和新生儿体内发现，主要作用是对抗寒冷。后来BAT在成年人体内也被发现，并揭示了其保持能量平衡和改善代谢的潜能。另一类介于二者之间的脂肪细胞，米色脂肪细胞，即白色脂肪“棕色化”。近年来许多研究证明，miRNAs对脂肪组织的分化、棕色脂肪的激活以及白色脂肪“棕色化”的调控具有重要作用。因此，本文将从miRNAs对棕色脂肪生成和白色脂肪“棕色化”的调控作一综述。

1　脂肪组织的分类

1.1白色脂肪组织WAT来源于Myf5阴性祖细胞，细胞呈圆形，只含有一个脂滴，线粒体含量少。WAT在机体广泛存在，根据其分布，可分为内脏白色脂肪组织（vWAT）和皮下白色脂肪组织（sWAT），前者主要包裹在器官周围，后者则分布在腹股沟区、腰腹部、大网膜、脊柱旁等。WAT是人体最大的“能源储存库”。WAT的主要功能是以甘油三酯的形式储存过剩的能量，在机体需要时快速补充。另外，WAT还有支持填充、保护内脏、维持体温的作用。

1.2棕色脂肪组织BAT来源于Myf5阳性细胞，含有大量线粒体和少量脂滴。早在16世纪，科学家们认为BAT只存在于冬眠的哺乳动物和新生儿体内。直到2007年科学家在成年人体内发现具有功能的BAT才打破这一定论。BAT在人体主要分布在肩胛间区、颈部、腋窝、纵隔、肾周、锁骨上。寒冷刺激能够激活BAT，并通过非震颤性产热产生热量。这一过程是通过线粒体呼吸链内膜的解耦联蛋白⁃1（UCP⁃1）氧化磷酸化实现的。研究证实，体型偏瘦的人群比肥胖人群BAT含量多。因此，移植BAT可能是减肥的一项潜在措施。

1.3白色脂肪棕色化“棕色化”的白色脂肪细胞即米色脂肪细胞，其来源于WAT本身，尤其是腹股沟区的WAT。米色脂肪组织在形态上与BAT相似，脂滴呈多腔室，富含大量线粒体，高表达UCP⁃1阳性细胞，并且表达棕色脂肪特异性基因，包括UCP⁃1、细胞死亡诱导的DNA片段因子A（Cidea）、过氧化物酶激活体共激活因子 1α（PGC⁃1α）、PR 结合域蛋白 16（PRDM16）以及 CCAAT/增强子β（C/EBPβ）。米色脂肪细胞在形态上以及产热基因的表达与棕色脂肪细胞十分相似［1］，这类脂肪细胞也被称作诱导的棕色脂肪细胞［2］。然而，目前关于米色脂肪细胞的特性和来源仍存在许多争议。主要有以下几种观点：（1）它们是由白色脂肪细胞前体分化而来［3］；（2）它们来源于白色脂肪细胞本身，可被寒冷诱导［4］；（3）它们可由脂肪前体细胞分化［5］。因此，根据WAT的分布不同，米色脂肪细胞的来源和生成也有明显差异［6］。最近的一项研究［7］表明，通过寒冷刺激诱导的皮下白色脂肪细胞来源于平滑肌前体细胞，这一发现暗示米色脂肪细胞具有多相性。因此，需要设计更多的实验诱导白色脂肪棕色化，通过形态学、分子生物学手段明确其来源和性质，使其得到广泛应用。

2　miRNAs作用的主要转录因子

2.1PRDM16miRNAs对棕色脂肪和米色脂肪的调节主要通过转录因子作用。这些转录因子包括PRDM16，PRDM16是1个分子量为140 kD的锌指蛋白，对棕色脂肪和米色脂肪的形成具有重要作用［8］。PRDM16可以与很多调节因子共同作用，包括PGC⁃1α、PGC⁃1β、C/EBPβ，常染色质组蛋白⁃赖氨酸N端甲基转移酶⁃1（EHMT1）［9］和C末端结合蛋白（CtBPs）。早期的B 细胞因子⁃2（EBF2）与PRDM16作用，是通过招募PPARγ与BAT选择性的靶基因实现［10］。PRDM16是米色脂肪分化和出生后BAT形成的主要调节因子，它可能与其他调节因子之间具有复杂的联系。

2.2PPARs调节因子过氧化物酶增殖激活受体α（PPARα）对棕色脂肪细胞的分化作用并不清楚。然而，去除PPARα可减少棕色脂肪特异性基因的表达，包括Zic1，Lhx8和PRDM16，这一结果暗示PPARα对棕色脂肪生成的重要性。2011年，Marta Giralt's团队证实PPARα通过链接PPAR与PGC⁃1α启动子末端的反应元件诱导PGC⁃1α表达。

2.3其他转录因子其他调节棕色脂肪形成的转录因子包括，骨形成蛋白7（BMP7）和促食素（Orexin）。BMP7促进棕色脂肪组织的形成和产热通过许多机制实现，包括诱导PRDM16和PGC⁃1α的表达，增加 UCP⁃1的表达，增强PPARγ和C/EPBs的表达，以及诱导线粒体的生成。Orexin则通过p38/MAPK通路和骨形成蛋白受体⁃1α（BMPR1A）依赖的Smad信号通路起作用。

综上所述，PRDM16和PPARs对白色脂肪棕色化具有重要作用。PPARα是通过PRDM16和PGC⁃1α促进棕色化。近年来，PPARγ受体激动剂广泛且高效应用于白色脂肪棕色化。给予PPARγ受体激动剂以后，诱导PGC⁃1α表达，从而产生棕色化反应。PRDM16明显促进罗格列酮（一种PPARγ受体激动剂）诱导白色脂肪棕色化［11］。相反地，去除PRDM16导致罗格列酮对棕色脂肪的形成作用减弱。最近的一项研究［12］表明，Sirtuin 1（SIRT1）促进白色脂肪棕色化依赖于PPARγ脱乙酰作用，并通过招募PRDM16实现。另外一个诱导白色脂肪棕色化的重要通路是环鸟苷酸（cGMP）信号通路，cGMP通过增加鸟苷酸环化酶刺激因子［13］钠尿肽（NPs）［14］或磷酸二酯酶⁃5抑制剂（例如西地那非）［15］诱导棕色化。

3　调节棕色化的miRNAs

miRNAs是一类非编码的小分子RNA，在人和动物体内广泛表达。miRNAs通过初级miRNA（pri⁃miRNA）转录，转录后，pri⁃miRNA在酶的作用下成熟，即形成具有发夹结构的pre⁃miRNA，pre⁃miRNA在转运蛋白⁃5的作用下转运到细胞质，在Dicer酶的作用下切除茎环结构，形成大约22个核苷酸的双链miRNA。近年来，miRNAs被证实在许多不同物种的BAT中存在，同时研究证实miRNAs可调控经典棕色脂肪的生成和白色脂肪棕色化。miRNAs对棕色化的调控包括正向调控和负向调控。最近的一项研究［16］证实，通过miRNA途径可以使棕色脂肪组织白色化，揭示了miRNA对BAT的分化影响。因此，探索和发现一些miRNA的作用和机制以及其对棕色化的影响具有重要意义。笔者将聚焦于近年来发现的一些miRNAs，并将其对棕色脂肪组织和棕色化的作用进行概括。

3.1　正向调控棕色化的miRNAs

3.1.1miRNA⁃196amiRNA⁃196a对白色脂肪祖细胞棕色化具有必不可少的作用，其通过C/EBPβ，PRDM16，UCP⁃1和PGC⁃1α等［17］转录因子诱导棕色脂肪基因的表达。miR⁃NA⁃196a还可通过抑制Homeobox C8（HoxC8）诱导棕色化，HoxC8是白色脂肪形成的决定因子［18］。HoxC8可直接抑制C/EBPβ的表达，而C/EBPβ是诱导棕色脂肪产热和UCP⁃1表达的关键因子。miRNA⁃196a的表达可通过寒冷暴露和β3⁃肾上腺受体刺激诱导，然而机制并不清楚。因此，尚需更多设计合理的实验，通过对影响棕色化的多靶点干预，明确miRNA⁃196a促进棕色化的信号通路和靶向作用。

3.1.2miRNA⁃26miRNA⁃26家族（包括miRNA⁃26a和miRNA⁃26b）已被证实是调节人类白色脂肪和米色脂肪分化的关键因子［19］，在白色脂肪细胞分化时表达增加。miRNA⁃26a在棕色脂肪组织中含量丰富，并且通过寒冷刺激后在WAT中表达。模拟miRNA⁃26a/b对白色脂肪和米色脂肪的作用，是通过BAT 特异性基因，包括UCP⁃1、PGC⁃1α和aP2的表达，进而增加UCP⁃1阳性细胞实现的。miRNA⁃26家族对白色/米色脂肪的形成依赖于金属钛酶域⁃17（AD⁃AM17），它可能是抑制脂肪形成或者抑制棕色化的因子。然而，其作用机制并不清楚。由此可见，对ADAM17的上下游进行深入的研究是十分必要的，这样方能明确其对脂肪合成和棕色化的作用。

3.1.3miRNA⁃30miRNA⁃30家族（包括miRNA⁃30b和miRNA⁃30c）被证实可以促进产热过程和棕色化反应［20］。它们在BAT中的表达高于WAT，且在寒冷刺激或β⁃肾上腺受体激活状态下促进BAT的分化。miRNA⁃30b/c促进产热是通过上调产热基因（UCP⁃1和Cidea）的表达，从而诱导棕色脂肪细胞线粒体呼吸。miRNA⁃30家族也可增强腹股沟区白色脂肪基质血管成分产热基因和线粒体呼吸作用。一项针对小鼠的体内阻断实验结果表明，抑制miRNA⁃30b/c的表达导致UCP⁃1表达下调，同时BAT线粒体呼吸作用减弱。miRNA⁃30b/c对UCP⁃1和Cidea的作用是通过靶向作用受体交叉蛋白140（RIP140）实现，RIP140是产热基因UCP⁃1和Cidea的辅抑制物［21］。因此，miRNA⁃30b/c正向调控BAT，促进白色脂肪棕色化。

3.1.4miRNA⁃455miRNA⁃455对棕色脂肪的形成起正向调控作用，使棕色脂肪特异性基因表达，可以被寒冷和BMP7诱导［22］。在棕色脂肪细胞和白色脂肪前体细胞中过表达miRNA⁃455以及在多潜能祖细胞中过表达miRNA⁃455均可促进细胞分化，并且增加脂滴积累，表达多种脂肪形成基因和棕色脂肪特异性基因。相反地，抑制miRNA⁃455的表达导致棕色脂肪生成被抑制。有研究证实，在小鼠体内移植表达miRNA⁃455的C3H/10T1/2细胞可以增加产热。研究表明，高脂饮食诱导的miRNA⁃455转基因小鼠出现腹股沟区白色脂肪棕色化，产热能力增加，抵御寒冷能力增加，胰岛素敏感性增加，糖耐量改善，体重减轻。相反地，miRNA⁃455敲除小鼠棕色脂肪减少，UCP⁃1、PGC⁃1α和PPARγ表达被抑制。miRNA⁃455作用的3个靶点包括Runx1t1、Necdin和低氧诱导因子⁃1α亚基抑制剂（HIF⁃1αn）。miRNA⁃455通过HIF⁃1αn减少AMP⁃激活蛋白激酶α1（AMPKα1）中Asn173的羟基化，增强AMPKα1活性，从而增加PGC⁃1α的表达，促使线粒体合成，同时增加脂肪动员和脂肪分解的基因表达。由于miRNA⁃455对HIF⁃1αn的作用，因此，探寻其在高原物种体内的作用，极有可能为高原人群和土生动物在高原极端寒冷、低氧环境下的适应机制另辟蹊径。

3.2　负向调控棕色化的miRNAs

3.2.1miRNA⁃378miRNA⁃378对BAT起正向调控作用［23］，而对白色脂肪棕色化却呈现出负向调控。miRNA⁃378转基因小鼠在寒冷暴露下，腹股沟区WAT产热途径被完全抑制。出现这种现象的原因可能是BAT和WAT之间的串扰作用，而不是miRNA⁃378本身的影响。miRNA⁃378转基因能够改善肥胖基因小鼠的肥胖状态和饮食诱导的肥胖，miRNA⁃378对棕色脂肪的作用可能是靶向作用Pde1b（一种磷酸二酯酶），通过催化cAMP的翻转作用，从而导致cAMP水平降低。也就是说，miRNA⁃378能够促进棕色脂肪的合成，但对皮下白色脂肪组织棕色化作用钝化。出现这种结果可能与实验设计、物种差异以及寒冷暴露的温度有关，因此，需要更多的实验来验证其可靠性，譬如对冷暴露温度进行逐级分组，通过miRNA⁃378干扰明确其对白色脂肪和棕色脂肪的作用。

3.2.2miRNA⁃133miRNA⁃133在肌肉组织中高表达，是第一个被证实抑制棕色脂肪合成的miRNAs之一［24］。miRNA⁃133直接作用于PRDM16，并负向调控其表达。寒冷暴露后，BAT中miRNA⁃133下调，PRDM16和其下游的产热基因表达增加。miR⁃133在BAT和腹股沟区WAT中均表达。敲除miRNA⁃133的小鼠腹股沟区白色脂肪棕色化［25］。所以，miRNA⁃133通过抑制PRDM16影响棕色脂肪的生成和白色脂肪棕色化。为进一步证实miR⁃133对棕色脂肪的作用，可通过其在高原鼠兔等完全寒冷适应的物种体内验证，即分别在室温和寒冷暴露下检测miR⁃133的表达，观察高原鼠兔棕色脂肪的激活以及腹股沟区白色脂肪棕色化的程度，并通过机体的产热量和能量代谢参数证实棕色脂肪的激活。

3.2.3miRNA⁃155miRNA⁃155在BAT中高表达，研究证实其对棕色脂肪和白色脂肪棕色化呈负向调控。miRNA⁃155在BAT增殖时高表达，并随细胞分化衰退。miRNA⁃155直接作用于C/EBPβ，C/EBPβ对BAT的分化和白色脂肪棕色化具有关键作用。尽管C/EBPβ与白色脂肪和棕色脂肪细胞的分化均相关，C/EBPβ/C/EBPδ基因敲除小鼠对棕色脂肪生成具有明显抑制作用，C/EBPβ对白色脂肪细胞的作用甚微。敲除C/EBPβ导致BAT性状改变（包括脂滴减少以及UCP⁃1表达下调）。C/EBPβ对BAT的作用可概括为：（1）C/EBPβ在棕色脂肪对抗白色脂肪表达时的短暂动力不同；（2）其与PRDM16相互作用形成转录复合体。C/EBPβ对棕色脂肪细胞的生成具有关键作用。应用慢病毒表达miRNA⁃155影响棕色脂肪的生成以及UCP⁃1和PGC⁃1α的产热能力［26］。相反，miRNA⁃155抑制剂促进棕色脂肪的生成以及诱导寒冷暴露后白色脂肪棕色化。一方面，miRNA⁃155对C/EBPβ起负向调控作用，导致miRNA⁃155和C/EBPβ的双向负反馈。另一方面，miRNA⁃155对转换生长因子⁃β1（TGFβ1）起正向调控作用，抑制3T3⁃L1细胞的脂肪合成。miRNA⁃155转基因小鼠棕色脂肪组织重量减少，脂滴减小，甘油三酯含量减少，成脂基因和产热基因表达减少，并导致棕色脂肪特异性转基因小鼠皮温降低。然而，miRNA⁃155敲除小鼠肩胛区皮温上升，冷暴露后脂肪分解和细胞内呼吸增强，腹股沟区棕色样细胞增加。

3.2.4miRNA⁃27miRNA⁃27通过作用于PPARγ使白色脂肪的生成抑制。同时，有研究证实，miRNA⁃27抑制棕色脂肪的生成和棕色化反应。寒冷暴露或β⁃肾上腺激动剂治疗后，miRNA⁃27表达减少。miRNA⁃27抑制剂促使内脏和sWAT中棕色脂肪生成基因表达增加（包括UCP1、PRDM16、PPARα/γ、Cidea和PGC1α）。miRNA⁃27负向调控棕色脂肪或棕色化作用是通过PRDM16、PPARα/γ、cAMP反应元件结合蛋白（Creb）和部分PGC⁃1β实现。因此，可通过下调miRNA⁃27的表达及使用其抑制剂促进白色脂肪棕色化和激活棕色脂肪，从而为肥胖等代谢性疾病提供潜在治疗。

3.2.5miRNA⁃34amiRNA⁃34a对棕色脂肪生成或棕色化起负向调控作用，在肥胖时表达增加。下调miRNA⁃34a对高脂饮食诱导的肥胖具有正向调控作用，即在饮食正常的情况下减轻体重和白色脂肪的重量。下调miRNA⁃34a的表达促进棕色脂肪生成和棕色化反应，这种作用是通过上调棕色脂肪生成基因（UCP⁃1、PRDM16和PGC⁃1α）的表达实现，从而增强白色脂肪和棕色脂肪组织中线粒体功能。FGF21被证实能够促进棕色脂肪生成及白色脂肪棕色化［27］，miRNA⁃34a可直接作用于 FGF21受体 FGFR1。因此，可通过下调miRNA⁃34a增加NAD+水平，SIRT1表达以及PGC⁃1α脱乙酰化，改善脂肪组织中FGF21信号通路，从而诱导白色脂肪棕色化。

4　结语与展望

BAT在激活状态下可以燃烧脂滴和分解葡萄糖，从而增加能量消耗。因此，BAT是治疗肥胖的一个潜在靶点。多项研究以及对啮齿类动物的研究表明，除了BAT，白色脂肪棕色化也可增加能量消耗，从而抵抗肥胖。迄今为止，许多miRNAs被证实能够调控转录因子的表达，包括PRDM16、PPARα/γ、C/EBPβ和PGC1α/β。尽管许多文献报道了miRNAs对棕色脂肪的生成及白色脂肪棕色化具有关键作用，然而，只有少数miRNA对棕色脂肪生成及白色脂肪棕色化作用机制被阐明，如 miRNA⁃196a、miRNA⁃26、miRNA⁃30、miRNA⁃455起正向调控作用；而 miRNA⁃378、miRNA⁃133、miRNA⁃155、miRNA⁃27、miRNA⁃34a则起负向调控作用。因此，亟需建立比较完整的miRNAs调控网络。尽管一些miRNA的治疗已经进入临床［28-29］，但更加完善、系统的关于miRNAs对棕色脂肪组织生成和白色脂肪棕色化的研究仍在进行中，最终为肥胖以及代谢相关性疾病提供有效治疗。

表1　参与调控白色脂肪棕色化的miRNAsTab.1　MicroRNAs participate in white fat browning

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