棕色脂肪白色化研究进展

吴 倩，王 静，于亮宇，于丽秀，邓亚卉，黎维勇

(华中科技大学同济医学院附属协和医院药学部，湖北 武汉 430000)

脂肪组织在调节能量平衡和葡萄糖稳态中起着至关重要的作用[1]。白色脂肪组织(white adipose tissues，WAT)由包含单个大脂质滴的WAT细胞组成，主要位于身体的皮下和腹部区域，以甘油三酸酯的形式存储多余的能量[1]。棕色脂肪组织(brown adipose tissues，BAT)由富含大量线粒体的BAT细胞组成，主要位于啮齿动物的肩胛间区域，与WAT相比，BAT专门消耗能量来产生热量[2]。

脂肪器官的可塑性不仅通过干细胞的增殖和分化而发生，而且还可以通过成熟脂肪细胞的直接转化而发生，成熟脂肪细胞在适当的刺激下通过重编程基因组，改变表型和功能而发生变化，如棕色脂肪组织的白色化[3]。肥胖中的棕色脂肪细胞功能异常，获得白色脂肪细胞的特征，如扩大的脂滴等，热发生受到损害，定义为棕色脂肪在细胞中的白色化[4]。透射电镜下观察，白色化的BAT细胞含有扩大的内质网、胆固醇晶体和一些退化的线粒体，并被越来越多的胶原纤维包围[4]。

随着年龄的增长，人体内的BAT逐渐白色化减少[5]。棕色脂肪组织中含有丰富的解偶联蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)，其介导的线粒体的解偶联通常与BAT的适应性产热有密切关系。但老化的BAT细胞丧失了对响应冷刺激的增殖能力和UCP1表达能力[6]。肥胖和衰老过程中BAT的白色化和丢失促进了代谢紊乱和相关疾病的发生，减缓BAT的白色化可能是对抗肥胖及代谢紊乱的另一个重要途径。

1 棕色脂肪组织白色化诱导因素

1.1 高脂饮食高脂饮食引起的肥胖会导致毛细血管稀疏和BAT中的功能性缺氧，从而导致线粒体功能障碍和脂质滴积聚引起的BAT白色化[7]。小鼠在高脂饮食17周后，出现了BAT白色化，其特征是脂肪细胞的单室化和葡萄糖不耐受平行的热原标记减少[8]。另有研究表明，野生型小鼠高脂饮食1 d即可在BAT中诱发白色化和胰岛素抵抗的最初征兆，减少葡萄糖和甘油三酸酯衍生脂肪酸的摄取[9]。而且，高脂饮食和高脂高蔗糖混合饮食而不是单纯的高果糖饮食影响脂肪细胞形态和促进皮下脂肪细胞的白色化。此外，这种白色化还具有性别依赖性，雌性小鼠的代谢表型不如雄性小鼠明显[8]。

1.2 高环境温度瘦小鼠的BAT细胞保持在28 ℃，温度接近啮齿动物的热中性时，获得白色的单室脂肪细胞表型[10]。在正常(23 ℃)温度下载脂蛋白E基因和UCP1双敲除(DKO)小鼠高脂饮食观察到BAT变大，腹股沟WAT (iWAT)呈棕褐色。而DKO小鼠在30 ℃时，BAT白色化，iWAT褐变消失，失去了有利的表型变化[11]。温度升高后，米色脂肪和棕色脂肪细胞均表现出形态上的白色化，但使用体内的细胞类型特异性分析后发现米色(但不是棕色)脂肪细胞与温度相关的表观基因组可塑性的独特范式，并从棕色转化为白色染色质状态[12]。

1.3 糖皮质激素有研究发现，地塞米松诱导以脂滴积累为特征的BAT白色化，这种白色化可能与地塞米松诱导BAT中自噬和自噬相关蛋白7(autophagy related 7，ATG7)的表达有关[13]。由糖皮质激素引起的BAT的白色化在缺乏脂肪细胞糖皮质激素受体的小鼠中会减弱，但糖皮质激素受体对高脂饮食引起的白色化没有影响[14]。另有研究发现，糖皮质激素对BAT的功能调节具有物种特异性差异。糖皮质激素可通过增加UCP-1急性提高健康人体内和体外BAT，却会降低小鼠米色/棕色脂肪细胞中的UCP-1[15]。

2 棕色脂肪白色化调控因子

BAT的白色化是由多个调控因子影响的，不同的调控因子从不同的方向影响BAT的白色化进程，见Tab 1。

2.1 影响线粒体功能的调控因子VEGFA：血管内皮生长因子A(avascular endothelial growth factor A，VEGFA)是一种高度特异性的促血管内皮细胞生长因子。非肥胖小鼠脂肪组织中VEGFA的靶向消融可观察到BAT白色化。将VEGFA特异性地引入肥胖小鼠的BAT后，又可恢复血管分布，改善BAT细胞功能障碍。肥胖或VEGFA消融引起的BAT毛细血管稀薄，减少β-肾上腺素能信号，增加线粒体活性氧产生，并促进线粒体自噬造成BAT缺氧[7]。反之，BAT缺氧导致β肾上腺素能信号进一步受损，VEGFA表达更大的丧失，BAT功能障碍进一步增加[16]。

SIRT家族：酵母沉默信息调节子2(silent information reguylator 2，Sir2)相关酶类(Sir2-related enzymes，Sirtuin)家族是组蛋白去乙酰化的重要酶类，其中SIRT1参与调节细胞能量稳态和线粒体生物。白藜芦醇通过促进SIRT1-过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α(peroxlsome proliferator-activated receptor-γ coactlvator-1α，PGC-1α)信号抑制BAT的白色化，导致能量消耗增加，小鼠BAT的线粒体大小和线粒体DNA含量，并可能有助于抑制饮食肥胖时的体重增加[17]。SIRT3是一种关键的线粒体脱乙酰酶，辣椒素对高脂饮食诱导的肥胖和BAT的白色化的抑制作用依赖于SIRT3的参与。SIRT3介导了辣椒素对缓解高脂饮食诱导的活性氧生成、提高线粒体活性和限制线粒体钙超载的有益作用。 SIRT3以AMP依赖的蛋白激酶(adenosine 5’-monophosphate (AMP)-activated protein kinase，AMPK)的方式降低MCU启动子上的h3k27ac水平，抑制线粒体钙超载。此外，辣椒素可逆转高脂饮食对AMPK活性的抑制作用，逆转SIRT3的表达，抑制衰老诱导的BAT的白色化[18]。SIRT6的缺失会损害BAT细胞的生热功能，导致BAT白色化，减少氧气消耗，并降低核心体温和降低对寒冷的敏感性[19]。

Tab 1 Key regulators of BAT whitening

GABA：BAT中的外周γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)信号诱导肥胖症的代谢功能障碍。交感神经系统激活中枢神经系统中的GABA信号抗肥胖。饮食肥胖模型的BAT中GABA水平显着增加。在饮用水中添加GABA可以诱导BAT白色化，降低耐寒性试验的生热反应，并导致肥胖小鼠的全身代谢功能障碍。钙超载会抑制线粒体功能，用GABA处理BAT细胞可显着增加线粒体钙水平，促进活性氧(ROS)的产生，并抑制线粒体呼吸[20]。

Lsd1：赖氨酸特异性脱甲基酶1(lysine-specific demethylase 1，Lsd1)的丢失诱导棕色到白色的脂肪细胞转化和氧化代谢到糖酵解代谢的转变。这种转变与BAT特异性下调和WAT选择性基因表达上调相关。与对照组小鼠相比，Lsd1敲除小鼠的WAT选择性基因(95%)在BAT中上调，而BAT选择性基因(67%)显示降低。Lsd1与CoREST复合体成员，特别是Rcor1和Rcor3的协同作用，抑制了WAT选择性基因的表达。此外，BAT中Lsd1的缺乏会导致与氧化磷酸化相关基因的转录水平降低相关的严重的线粒体功能障碍[21]。

2.2 促进炎症反应的调控因子Fractalkine是由脂肪细胞合成的趋化因子，脂肪细胞将表达Fractalkine受体(CX3CR1)的白细胞募集到脂肪组织中。与CX3CR1缺陷的动物相比，Fractalkine信号保持完整的动物在富脂(FatED)饮食期间体重增加。Fractalkine导致巨噬细胞在BAT中积累，并增加了促炎性介质的表达。局部BAT炎症伴随着脂肪酶表达的增加，并导致棕脂的白色化。相比之下，Fractalkine受体缺乏阻止了巨噬细胞的积累，选择性减弱促炎介质的表达，增加脂解酶的BAT表达，并且上调热发生基因[22]。脂肪甘油三酯脂肪酶(adiposetriglyceride lipase，ATGL)缺乏的小鼠中，BAT发生了从棕色到白色的转化。基因表达分析表明，ATGL缺陷小鼠的BAT白色化与强烈的炎症反应和核苷酸结合寡聚化结构域样受体家族pyrin结构域蛋白 3(NOD- like receptors family，pyrin domain containing 3，NLRP3)炎症小体激活有关。扭曲的BAT细胞易死亡，它加重白色化了的BAT的炎症，形成在肥胖中的典型的炎症状态[23]。长的非编码RNA(long non-coding RNA，lncRNA)逐渐成为脂肪细胞分化和基因表达的强大调节剂。Blnc1为棕色和米色脂肪细胞分化的保守lncRNA调控因子。Blnc1的脂肪特异性失活损害了冷诱导的产热和褐变，并加剧了肥胖相关的BAT白色化。Blnc1在脂肪组织中的转基因表达促进有益的代谢作用。从机制上讲，Blnc1细胞通过其蛋白伴侣Zbtb7b自动减弱促炎细胞因子信号传导并促进脂肪细胞中的燃料存储[24]。

2.3 与交感神经相关的调控因子Tsukushi(TSK)是一种可诱导的肝因子，可响应增加的能量消耗。肥胖者肝TSK表达和血浆TSK水平升高。肥胖症中过多的TSK会促进BAT白色化，高脂饮食式的体重增加和代谢异常。在小鼠中，TSK缺失可增加脂肪组织中的交感神经支配和去甲肾上腺素的释放，从而导致肾上腺素能信号传导和生热作用增强，几乎完全抑制BAT白色化以及饮食引起的肥胖症[25]。K+通道TASK1通过盐皮质激素受体途径调节BAT中的β-肾上腺素反应。在肥胖和冷暴露的小鼠中，TASK-1与UCP1表达高度相关。此外，与对照组相比，敲除了Task1(-/-)的小鼠超重，主要是因为WAT量增加和棕脂的白色化。Task1(-/-)小鼠BAT细胞β3肾上腺素能受体反应受损，耗氧量、UCP1表达和脂解减少。该表型被认为是由于盐皮质激素受体信号转导加剧所致，因为它模拟了皮质激素并被MR抑制剂逆转[26]。

2.4 有性别差异的调控因子泛素连接酶Siah2是雌激素的转录靶标，Siah2的缺失促进了雄性BAT的白色化，却抑制了高脂饮食引起的雌性BAT的白色化。这可能是因为雌性中产热基因(Pgc-1α，Dio2，Ucp-1)和蛋白质(Pgc1α，Ucp-1)的表达增加所致。并且，在HFD喂养的雌性动物中，雌激素受体α(estrogen receptorα，ERα)和雌激素受体相关受体γ (estrogen receptor-relatedreceptorγ，ERRγ) 的蛋白表达大大降低。这表明Siah2可通过调节BAT中的ERα和ERRγ蛋白水平来抑制女性对慢性营养过剩的热反应[27]。在食物摄入没有变化的情况下，体内脂肪细胞特定的骨形态发生蛋白抑制剂Noggin缺失促进了雌性和雄性的年龄相关性肥胖。Noggin的缺失促进WAT肥大，以及BAT白色化和功能受损，并存在明显的性别差异，受影响更大的是雌性。雌性的BAT标志物和热基因的表达降低，包括Pgc-1α和Ucp1以及与脂肪形成和脂质代谢相关的基因，而雄性在与脂肪形成和脂质代谢相关的基因上有早期变化[28]。

2.5 其他调控因子敲除VEGFB基因可诱导肥胖表型，包括WAT 的扩张，BAT的白色化，脂肪堆积的增加和能量消耗的减少。抑制VEGFB使脂肪组织中的代谢过程发生了广泛变化。同时，WAT相关基因的表达增加，而BAT相关基因的表达减少[29]。组蛋白H3K9特异的甲基化转移酶SETDB1，催化H3K9的三甲基化，通常起转录抑制作用。在BAT上缺失SETDB1的小鼠其BAT呈现WAT的形态，其脂滴大小远远大于正常的BAT细胞。SETDB1可能通过与过氧化物酶体增殖剂激活受体(peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs)α/γ协同抑制白色相关基因，控制了细胞内的脂滴代谢的稳态，保证BAT的形态结构功能正常[30]。

3 总结

人体内棕色脂肪的存在为解决日益增长的肥胖和代谢紊乱问题提供了可能的解决方式。棕色脂肪组织的白色化和丢失阻碍了这一进程，减缓或抑制白色化进程具有重要的临床意义。但目前的研究主要集中于动物水平和细胞水平且研究零散，还无法形成完整的调控机制。因此还需要深入研究归纳，并在人类身上进一步探索验证。