线粒体自噬与白色脂肪棕色化的关系

严琴慧 李晓南

南京医科大学附属儿童医院儿童保健科 210008

随着生活水平的提高、生活方式的改变，肥胖及代谢综合征已成为21世纪最受关注的公共卫生问题之一。一项1975—2016年的调查研究显示，全球肥胖的儿童和成人，及处于超重状态的人数都有显著的上升[1]。肥胖与心血管疾病、2型糖尿病、癌症、残疾等都密切相关，并且随着体重指数的上升健康风险也会不断增加[2]。正常人体内白色脂肪组织约占体重的10%，肥胖时主要表现为白色脂肪的增加和功能异常。而人体内存在的另一种脂肪即棕色脂肪，则将化学能转化为热能消散，抵抗肥胖及代谢综合征[3]。目前已证实，体内存在棕色样脂肪组织，与体重指数呈负相关[4]。这种棕色样脂肪组织可能不仅包含经典的棕色脂肪组织，还包含棕色化的脂肪组织，也称米色脂肪。脂肪组织棕色化是指在一定刺激下白色脂肪组织中出现米色脂肪组织的过程[5]。因此，通过诱导白色脂肪棕色化可能增加机体产热，降低肥胖及相关代谢综合征的风险。

线粒体是双层膜结构的细胞器，是动态变化的，通过不停地分裂、融合来维持细胞的正常功能和形态。它被誉为细胞的“动力工厂”，通过氧化磷酸化合成ATP为细胞新陈代谢提供能量，同时是多种代谢途径的发生地[6]。但是线粒体产生ATP时会伴随产生活性氧簇，活性氧簇会氧化损伤蛋白、脂质、DNA等，同时是激活自噬的重要因素[7]。在白色脂肪棕色化过程中，线粒体的数量和功能会发生显著改变。线粒体自噬是调控线粒体数量和控制线粒体质量的重要步骤。近两年，对于线粒体自噬在白色脂肪棕色化中的作用和调控机制的研究不断增加。本文围绕近年线粒体自噬与白色脂肪棕色化的研究进展综述如下。

1 线粒体在脂肪细胞能量代谢中的作用

在3种不同类型的脂肪组织中，线粒体数量和功能有着巨大的差异。白色脂肪细胞通常呈现为一个大而圆的脂滴、少量的细胞质和低密度的线粒体，主要功能是储存脂肪。线粒体在其中主要参与脂质合成和分解、脂肪酸酯化、支链氨基酸代谢等过程，但是其氧化能力低，产热能力低[8]。棕色脂肪细胞是一个多房的结构，含有较多的线粒体和小脂滴，主要功能是依赖于线粒体的非颤栗性产热。非颤栗性产热主要是指位于线粒体内膜的解耦联蛋白(UCP)1解耦联细胞氧化呼吸作用，减少ATP生成，使化学能以热能释放[9]。米色脂肪细胞是一种新发现的脂肪细胞，兼具白色脂肪细胞和棕色脂肪细胞的特点，其来源和功能都尚有争议。在基础状态，米色脂肪细胞类似于白色脂肪细胞，有单室大脂滴和少量的线粒体，但是在外界环境的刺激下，其形态发生转变，脂滴变小，线粒体含量增多，并表达棕色脂肪细胞的特征性蛋白UCP1，具有适应性产热功能[10]。线粒体在白色脂肪组织、棕色脂肪组织和米色脂肪组织中的不同含量和作用，说明在白色脂肪棕色化过程中线粒体会发生巨大的变化。这种变化需达到一种平衡，即线粒体稳态，才能维持细胞自身的“健康”状态，以响应不同的能量需求。 线粒体是高度动态的细胞器，细胞通过线粒体的生物合成和线粒体自噬两条通路调节线粒体含量，保持细胞的线粒体稳态[11]。已有大量文献证实，运动、寒冷、肾上腺素能受体激动剂等刺激可以促使脂肪细胞的过氧化物酶体增殖物活化受体γ协同刺激因子-1α、核呼吸因子1、线粒体转录因子A表达增多，表明线粒体生物合成增多[12-13]。但对于线粒体自噬在白色脂肪棕色化中的作用尚不清楚，而线粒体自噬在调节细胞内线粒体数量和维持线粒体质量等方面发挥重要作用。

2 线粒体自噬的途径

细胞自噬是指细胞内降解和回收利用生物大分子和受损细胞器的过程，目前主要分为3种类型：微自噬、巨自噬和分子伴侣介导的自噬。其中，巨自噬是最主要的类型，指新生成的或从内质网脱落的双层膜囊泡包裹多余的或损伤的物质形成自噬体，运输到溶酶体，与其融合形成自噬溶酶体，降解其内容物后释放分解产物进入细胞质再利用[14]。线粒体自噬是一种选择性的巨自噬，主要有两种作用：选择性的除去损伤或功能失调的线粒体来维持细胞的稳定；在细胞分化中完全或部分清除线粒体来完成细胞分化[15]。因此，线粒体自噬在细胞质量控制、发育过程中起重要作用，线粒体自噬的异常会导致神经退行性疾病、心脏病、肝脏病、肿瘤等病理反应[16]。线粒体自噬受多种因素调节，其中关键步骤是待降解的线粒体和自噬泡之间的特异性识别。目前研究较多的识别途径有两种：非泛素依赖的直接连接；泛素依赖的衔接蛋白介导的连接[17]。

2.1 非泛素依赖的直接连接 目前已经证实，线粒体自噬直接连接的受体蛋白或受体相关因子包括BNIP3(BCL2/E1B 19kDa interacting protein 3)、NIX(NIP3-like protein X， also known as BNIP3L)、FUNDC1(FUN14 domain-containing protein 1)、BCL2L13(BCL2-like 13)等。非泛素依赖的直接连接是指线粒体损伤后线粒体受体蛋白与自噬体上的微管相关蛋白1轻链3(LC3)结合。LC3是哺乳动物细胞中酵母自噬相关基因(Atg)8的同源物，需与磷脂酰乙醇胺结合形成LC3-磷脂酰乙醇胺才可发挥作用，其始终定位于自噬体膜上，常作为自噬体的标志分子[18]。目前已知的BNIP3和FUNDC1可以介导低氧损伤引起的线粒体自噬，NIX在红细胞成熟过程中介导线粒体自噬，Bcl2L13的激活因素目前还未确定[19-20]。

2.2 泛素依赖的衔接蛋白介导的连接 已知的衔接蛋白介导的线粒体自噬主要是同源性磷酸酶-张力蛋白诱导激酶1(PINK1)/Parkin通路。泛素化是线粒体损伤的重要标签，PINK1是泛素的激酶，可使泛素磷酸化[21]。在线粒体膜电位降低时PINK1可稳定聚集在线粒体外膜上，磷酸化后的泛素募集E3泛素蛋白连接酶(Parkin)，Parkin连接泛素和膜蛋白，使线粒体外膜被泛素化。泛素化的基质被自噬衔接蛋白p62/SQSTM、OPTN(optineurin)、NDP52(nuclear dot protein 52 kDa)、NBR1(neighbor of Brca1 gene 1)等识别，然后衔接蛋白将泛素化的线粒体与自噬体上的LC3连接[17]。

3 线粒体自噬与白色脂肪棕色化的关系

3.1 脂肪细胞分化过程中的线粒体自噬 研究报道，人皮下脂肪组织来源的间充质干细胞在诱导分化第7天时出现棕色脂肪样特征，有多室的小脂滴和丰富的线粒体，同时高表达UCP1，但是在分化第14天时又呈现白色脂肪样表现[22]。Goldman等[23]发现，敲除小鼠胚胎成纤维细胞的Atg5和Atg7均可阻断其分化为成熟白色脂肪细胞的进程。最近有研究证实，在脂肪细胞分化后期，线粒体数量的减少主要是通过早老素相关菱形样蛋白酶(PARL)-PINK1-Parkin途径的线粒体自噬实现的[24]。这些研究提示，在脂肪细胞分化过程中，早期有一过性棕色样表现，之后通过线粒体自噬减少线粒体数量，呈现白色脂肪细胞的特征。推测寒冷、运动等刺激抑制分化后期的线粒体自噬，使白色脂肪前体细胞转化为米色脂肪细胞，而无法分化成熟变为白色脂肪细胞。

3.2 棕色化与白色化中的线粒体自噬 Taylor等[25]研究显示，在白色脂肪棕色化过程中Parkin介导的线粒体自噬减少。研究者用罗格列酮诱导3T3-L1脂肪细胞棕色化，证明在棕色化的3T3-L1脂肪细胞中Parkin蛋白和p62的表达下调，同时Parkin在诱导棕色化过程不是必需的，但是过表达Parkin会抑制棕色化。对小鼠的体内实验发现，皮下脂肪与内脏脂肪对棕色化刺激不同反应的原因可能与Parkin有关，敲除Parkin基因后可诱导内脏脂肪高表达UCP1，而皮下脂肪野生型与基因敲除型表现一样。但是关于BNIP3的研究发现，在罗格列酮诱导下，3T3-L1脂肪细胞中BNIP3的表达上调，沉默BNIP3基因后UCP1反应减弱，损伤BNIP3会引起线粒体功能恶化，提示BINP3在脂肪细胞重塑过程中发挥复杂的作用，可能与过氧化物酶体增殖物活化受体γ一起调节线粒体的融合与分裂平衡[26-27]。在体内实验中，研究者也发现寒冷刺激下，年轻的小鼠可以发生白色脂肪棕色化，可能的机制是通过抑制p53而抑制线粒体自噬，增加线粒体数量[28]。

众所周知，寒冷刺激或β3肾上腺素能受体激动剂可以使白色脂肪组织中出现米色脂肪细胞，但是最近发现，撤销相关刺激后米色脂肪会再次转化成白色脂肪。Altshuler-Keylin等[29]研究发现，线粒体自噬可能是米色脂肪直接转化为白色脂肪的原因，抑制线粒体自噬可以保持米色样特征。近期研究发现，激活的β3肾上腺素能受体通过蛋白激酶A(PKA)信号途径使Parkin磷酸化，并且阻止Parkin在去极化线粒体上的聚集，从而抑制线粒体自噬，保持米色脂肪特征，但这一过程是不依赖于UCP1表达的[30]。有研究提出，PKA调节PINK1-Parkin介导的线粒体自噬，可能与线粒体膜蛋白MIC60有关，PKA通过磷酸化MIC60抑制线粒体自噬[31]。

4 问题与展望

目前，线粒体自噬与白色脂肪棕色化的关系尚有很多不确定性。根据已有研究，可以推测在白色脂肪棕色化过程中线粒体自噬是受抑制的，但是有研究发现，在寒冷刺激状态下的棕色脂肪细胞中，线粒体自噬伴随线粒体生物合成增多而增加，以维持细胞内的线粒体稳态[32]。线粒体生物合成和自噬的动态平衡才能维持细胞的正常形态和功能，在白色脂肪棕色化过程中，线粒体生物合成增多和线粒体自噬减少是否会影响脂肪细胞的正常代谢，目前尚不清楚。如果盲目的抑制线粒体自噬会导致损伤的线粒体不能被清除，对细胞产生毒性作用。因此，寻找米色脂肪特异性的、可以选择性阻止线粒体自噬的分子是未来研究的关键。此外，研究显示，应用葛根素修复棕榈酸诱导的骨骼肌细胞线粒体功能障碍和受损的线粒体自噬，可改善胰岛素抵抗；甲状腺激素可以增强线粒体自噬和生物合成，从而延缓非酒精性脂肪性肝病的进展；耐力运动可以促进骨骼肌线粒体自噬信号PINK1基因表达，促进线粒体更新及功能改善，从而减轻高脂饮食诱导肥胖等[33-35]。以上结果提示，调控线粒体自噬，有可能成为临床预防和治疗肥胖的新手段。