脂肪组织棕色化在恶病质脂肪消耗中的作用*

吴 涛， 李 晓， 马度芳△

（1山东中医药大学第一临床医学院，山东济南250000；2山东中医药大学附属医院，山东济南250014）

恶病质（cachexia）是一种以体重减轻、肌肉萎缩和脂肪组织功能障碍为特征，伴有代谢紊乱、全身炎症和胰岛素抵抗的多因素综合征［1］。恶病质通常与一些潜在的慢性退行性疾病有关，如癌症、终末期心力衰竭、慢性阻塞性肺疾病和慢性肾功能衰竭等。肌肉丢失长期以来主导着恶病质的研究而我们对患者脂肪流失的原因却知之甚少。脂肪组织也是恶病质不可忽视的参与者，它不仅为机体储存能量，而且是一个异质的、代谢活跃的器官，在全身具有重要的内分泌和旁分泌作用［2］。

越来越多的证据表明，恶病质时机体会诱导脂肪组织的过度异常分解，而其中白色脂肪组织棕色化是导致脂质动员和机体能量消耗增加的主要原因，减少白色脂肪组织棕色化被认为是改善恶病质/高代谢状态患者预后有价值的策略［3］。本篇综述总结了恶病质中导致白色脂肪组织棕色化的主要机制，提示我们未来可以围绕脂肪组织棕色化机制来开发预防和治疗恶病质的药物。

1 人体脂肪组织的分类

人体内存在着3 种脂肪组织：白色脂肪、棕色脂肪和米色脂肪。这3 种脂肪组织在人体中均发挥着不同的作用。白色脂肪主要作用是合成脂质、储存能量。白色脂肪细胞包含一个占细胞大部分体积的单眼脂滴和一个由结构蛋白和酶组成的外壳。摄入食物后，脂蛋白释放脂蛋白脂酶（lipoprotein lipase，LPL），把过量的游离脂肪酸（free fat acid，FFA）酯化成三酰甘油（triacylgycerol，TAG）而储存在脂滴中［4］，并能够通过分泌脂肪因子、细胞因子等连接适应性免疫系统来影响局部和全身代谢［5］。棕色脂肪主要分布在颈部和肩胛部，通过线粒体脂质氧化解偶联产生热量，维持人体的能量平衡。棕色脂肪细胞内有大量富含线粒体的多房脂滴结构从而使其呈现棕色，这些线粒体会表达较多的解偶联蛋白1（uncoupling protein-1，UCP-1）并通过线粒体内膜的质子泄漏作用将氧化磷酸化产生的化学能转化为热量而不是三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的生成耗散［6］，所以UCP-1常作为棕色脂肪激活的标志。米色脂肪细胞则介于白色和棕色脂肪细胞之间，当机体受到寒冷、炎症或肿瘤等刺激时，白色脂肪会过表达过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ）、PPARγ 辅激活子1α（PPARγ coactivator 1α，PGC1α）、含PR 结构域蛋白 16（PR domain-containing protein 16，PRDM16）等调控因子，调节UCP-1 的表达，增加线粒体密度，变成功能类似于棕色脂肪的米色脂肪［7-8］，这种从白色到米色表型的转变被称为脂肪组织棕色化。

2 恶病质与白色脂肪棕色化的关系

越来越多的研究发现恶病质与白色脂肪棕色化有着密不可分的关系。在结直肠癌恶病质小鼠模型中发现脂肪积累和脂肪酸β 氧化的关键调节因子发生变化，尤其是UCP-1蛋白的表达增加［9］；Lewis肺癌（Lewis lung cancer，LLC）恶病质小鼠也表现出高代谢状态，在白色脂肪组织和肩胛间棕色脂肪组织均表现出产热因子［如UCP-1、碘化甲腺原氨酸脱碘酶2（iodothyronine deiodinase 2，DIO2）和 PGC1α］的较高表达［10］，表明恶病质小鼠模型中某些因素会通过增加棕色脂肪组织活性并刺激白色脂肪组织棕色化来提高机体代谢。而在用正电子发射断层/计算机断层扫描（positron emission tomography/computed tomography，PET/CT）评价前列腺癌症恶病质患者脂肪组织代谢与肿瘤状态的相关性时发现脂肪组织棕色化进程与肿瘤分期和血清前列腺特异性抗原（prostate-specific antigen，PSA）水平呈显著正相关，说明恶病质有加快白色脂肪组织棕色化进程的作用［11］。在烧伤恶病质的代谢应激中发现皮下白色脂肪转变为米色脂肪，并且白色脂肪组织UCP-1 mRNA 的过表达、多房脂肪细胞的出现以及线粒体密度和呼吸能力的增加也证实了白色脂肪在恶病质状态下的棕色化趋势［12］。

尽管棕色脂肪在恶病质的研究中越来越受到重视，但是人类平均仅拥有约60 g 的棕色脂肪，在轻度冷刺激期间其每日能耗约在 15～25 kcal［13］，仅占总基础代谢率的3%～5%［14］。因此，只考虑人体本身含有的棕色脂肪在恶病质病程中的能量耗散是远远不够的，还应认识到：白色脂肪组织棕色化形成米色脂肪，进而导致的高代谢作用也是总能量消耗显著增加的重要原因［15］。

3 脂肪组织棕色化在恶病质中的危害

恶病质患者脂肪棕色化过程中会刺激脂肪分解，增加血清胆固醇水平，特别是低密度脂蛋白（lowdensity lipoprotein，LDL）和极低密度脂蛋白（verylow-density lipoprotein，VLDL），同时脂肪组织在棕色化过程中分泌的抑制脂肪分解的脂联素（adiponectin）减少，促使斑块形成和异位脂肪沉积，增加动脉粥样硬化、脂肪肝和胰岛素抵抗的发生。脂肪棕色化还对机体的炎症反应有重要影响。有研究表明，烧伤患者血清中丰富的FFA 可诱导核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）-含caspase 募集结构域的凋亡相关斑点样蛋白（apoptosisassociated speck-like protein containing a caspase recruitment domain，ASC）炎症小体的激活［12］，随后引起肝细胞和脂肪细胞中白细胞介素1（interleukin-1，IL-1）的分泌，严重情况下会导致细胞凋亡而引起肝衰竭［7］。同时，形成的米色和棕色脂肪细胞会摄取白色脂肪组织水解释放的FFA，再通过激活线粒体内膜外表面的UCP-1，使FFA 氧化后以热能形式耗散，增加恶病质患者静息能量消耗水平，导致脂肪和骨骼肌组织消耗和严重的机体虚弱状态［3］。

4 恶病质时使白色脂肪组织棕色化的机制

4.1 甲状旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）及其相关蛋白（PTH-related protein，PTHrP） PTH 由甲状旁腺分泌，作用于骨骼和肾脏，维持机体钙稳态。研究者在LLC 小鼠模型中发现，PTHrP 通过激活UCP-1 来触发白色脂肪组织棕色化，而抑制癌症恶病质小鼠模型脂肪组织的PTH 受体（PTH receptor，PTHR）后，这些小鼠体内的白色脂肪棕色化和恶病质程度减轻［16］，侧面表明了PTHrP 对恶病质白色脂肪组织棕色化的影响。为了证明PTH 对人脂肪细胞产热和代谢活性的影响，Hedesan等［17］用重组PTH 刺激人类供体中分离出的皮下白色脂肪细胞，结果显示体外分化的人皮下脂肪细胞在给予PTH 刺激后，PRDM16 与几种转录因子［PPARα、PPARγ、CCAAT/增强子结合蛋白（CCAAT/enhancer-binding protein，C/EBP）］相互作用，显著增加UCP-1和其他产热基因的表达，诱导白色脂肪组织棕色化，使脂肪细胞线粒体活性和氧化呼吸能力明显升高［18］。此外，在相当多的肺癌和结肠癌患者（47 名患者中有17 名）中也检测到高水平的PTHrP［19］，并且发现升高的PTHrP水平可以增加人类棕色和米色脂肪的代谢活性并驱动白色脂肪组织棕色化，使恶病质患者体重减轻［20］。这提示PTH 可能通过对PRDM16 的影响调节UCP-1等产热因子的表达，从而使脂肪组织棕色化。

4.2 IL-6 IL-6 是一种功能广泛的多效性细胞因子，可调节多种细胞的生长和分化，调节免疫应答、急性期反应及造血功能，并在机体的抗感染免疫反应中发挥重要作用。有证据表明，IL-6 水平在恶病质的早期逐渐升高，并且在死亡前1 周会急剧升高［21］。Petruzzelli 等［22］发现，与移植表达IL-6 的结肠癌模型小鼠相比，IL-6表达缺失的结肠癌小鼠模型恶病质程度减轻，且UCP-1 表达降低，提示IL-6 可促使白色脂肪棕色化，加重恶病质。Abdullahi 等［23］在烧伤后恶病质小鼠模型血清中也检测出高水平的IL-6，并在正常小鼠烧伤恶病质模型中发现皮下脂肪从白色到米色的表型转换，脂肪组织棕色化标志物UCP-1表达增加。而在IL-6沉默的烧伤小鼠模型中，恶病质引起的体重减轻和脂肪组织消耗显著减少，基因和组织学分析也显示烧伤后脂肪中多房、UCP-1表达的脂肪细胞较单纯烧伤小鼠模型减少。这些研究提示IL-6 水平升高会上调白色脂肪组织UCP-1 的表达，诱导白色脂肪组织棕色化，从而加速机体的能量消耗和恶病质的进程。

4.3 巨噬细胞和嗜酸性粒细胞 巨噬细胞和嗜酸性粒细胞来源于骨髓造血干细胞，是机体免疫反应的重要参与者。研究表明，恶病质状态下的脂肪组织中，被嗜酸性粒细胞浸润的单核细胞根据局部微环境分化为具有特定功能表型的M2 型巨噬细胞并诱导白色脂肪组织棕色化［24］。这提示巨噬细胞的交替激活和嗜酸性粒细胞的募集与白色脂肪棕色化有关［25］。Abdullahi等［26］在烧伤恶病质小鼠腹股沟白色脂肪中发现M2 型巨噬细胞浸润增加并且脂肪棕色化相关因子 UCP-1、PPARγ 和PRDM16 等表达升高，同时检测到烧伤恶病质小鼠脂肪组织中酪氨酸羟化酶及IL-6 介导的儿茶酚胺上调。相反，在M2 型巨噬细胞募集状态下，通过抑制去甲肾上腺素能信号的细胞因子和儿茶酚胺的表达也能抑制米色脂肪组织的产热活性［25］。这提示恶病质状态下M2 型巨噬细胞主要通过上调酪氨酸羟化酶释放去甲肾上腺素和影响IL-6 介导儿茶酚胺的产生来控制白色脂肪的棕色化和米色脂肪的活性［27］。

4.4 鸢尾素（irisin） 鸢尾素是一种由肌肉分泌的多肽激素，并随着运动的增加而增加，同时也会诱导白色脂肪组织棕色化［28-29］。Aydin等［30］用鸢尾素抗体进行免疫组织化学染色，对比胃肠癌与正常组织时发现癌症恶病质状态下鸢尾素的分泌增加。Zhang等［29］发现鸢尾素在人类皮下白色脂肪组织中通过激活细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路增加了UCP-1的表达，并且脂肪组织中产热基因的表达与皮下白色脂肪组织对鸢尾素的棕色化反应呈正相关。这提示恶病质时体内升高的鸢尾素水平可能增加UCP-1表达，诱导白色脂肪棕色化而参与恶病质脂肪消耗［31］。

4.5 锌-α2-糖蛋白（zinc-α2-glycoprotein，ZGA） 脂质动员因子ZGA 是一种重要的血浆蛋白，近年来发现其水平在癌症、终末期心力衰竭等疾病中升高［26-27］。Russell等［32］发现，在肿瘤诱导的恶病质小鼠模型中，刺激白色和棕色脂肪组织中ZGA 可增加脂肪动员，促进脂肪消耗。为了探究ZAG 导致白色脂肪组织棕色化的内在机制，Elattar 等［33］用 ZAG 重组蛋白刺激白色脂肪祖细胞后发现ZAG可强烈增强细胞的棕色样分化。在分子水平上，ZAG 刺激PPARγ和早期B 细胞因子2（early B-cell factor 2，Ebf2）的表达，通过促进 Ebf2/PPARγ 募集到PRDM16启动子而诱导PRDM16 表达，导致UCP-1 表达增加。这些结果表明，ZAG 通过刺激 PPARγ、Ebf2 和 PRDM16 的表达，促进白色脂肪祖细胞分化为棕色样脂肪细胞。

4.6 外泌体与微小RNA（microRNA，miRNA，miR）

外泌体即30～100 nm 的细胞外囊泡，在肿瘤转化恶病质的过程中通过释放miRNA 调节脂肪组织棕色化来增加机体的能量消耗，促进恶病质进程。Zhang等［34］发现胃癌患者的血浆外泌体中环状RNA（circular RNA，circRNA）和miRNA 具有特异性表达特征并且与胃癌患者白色脂肪组织的棕色化有关。胃癌细胞的外泌体递送ciRS-133 到前脂肪细胞中，通过激活PRDM16 和抑制miR-133 的功能在转录水平上促进白色脂肪细胞的棕色化。换句话说，来源于胃肿瘤的外泌体circRNA 通过靶向miR-133/PRDM16途径促进白色脂肪组织棕色化［35］。除在胃癌细胞中特异性表达的ciRS-133和miR-133外，还有其他多种miRNA 参与了白色脂肪棕色化化调节，如来源于肿瘤外泌体的miR-155 通过下调PPARγ 介导脂肪细胞的能量代谢。Wu 等［36］还发现在乳腺癌细胞和过表达miR-155 的脂肪细胞一起培育的脂肪细胞中，参与脂质积累的PPARγ 和p-PPARγ 蛋白水平显著降低，而在miR-155敲除的乳腺癌细胞和miR-155缺陷的小鼠中其蛋白水平升高，激活了棕色脂肪组织功能并促进了白色脂肪组织的棕色化［37］。这说明miR-155 通过降低PPARγ 及其相关蛋白的表达抑制脂肪组织的棕色化。

4.7 信号调节蛋白 α（signal regulatory protein α，SIRPα） SIRPα 通常被认为是一种参与胰岛素抵抗的膜糖蛋白，但近几年也发现了SIRPα 对机体代谢的调节作用。Wu 等［38］在慢性肾脏病（chronic kidney disease，CKD）恶病质小鼠中发现SIRPα 在白色脂肪中的表达约增加3 倍，同时棕色化介质磷酸化激素敏感性脂肪酶（phosphorylated hormone-sensitive lipase，p-HSL）和磷酸化cAMP 反应元件结合蛋白（phosphorylated cAMP-response element binding protein，p-CREB）的蛋白水平也相应提高，这些反应导致白色脂肪组织中UCP-1 增加并诱发白色脂肪棕色化，而SIRPα敲除的CKD 恶病质小鼠其肌肉和脂肪组织损失明显减少，且血清SIRPα 水平和脂肪组织UCP-1 蛋白表达明显降低。与健康人群相比，晚期CKD恶病质患者血清SIRPα增加了2.4倍，白色脂肪棕色化介质及UCP-1 表达也相应增加。以上研究说明SIRPα在恶病质脂肪棕色化进程中通过诱导UCP-1表达参与调节了脂肪和肌肉组织的分解代谢。

4.8 利尿钠肽 利尿钠肽是一组参与维持机体水盐平衡、血压稳定、心血管及肾脏等器官功能稳态的多肽，主要由心房利尿钠肽、脑利尿钠肽和C 型利尿钠肽组成［39］。在人脂肪细胞中，利尿钠肽可能通过激活PGC1α 和UCP-1 的表达，诱导线粒体发生，增加解偶联和总呼吸，促进白色脂肪细胞棕色化以增加能量消耗。Bordicchia 等［40］发现暴露于低温的小鼠棕色和白色脂肪组织中循环的利尿钠肽水平和利尿钠肽信号受体表达增加，利尿钠肽清除受体表达降低，产热因子（如UCP-1）的表达升高，并且向小鼠输注脑利尿钠肽可显著增加白色脂肪组织中UCP-1和PGC1α 的表达，从而增加呼吸和能量消耗，这为利尿钠肽在恶病质状态下脂肪组织的棕色化提供了理论基础。在 CKD 恶病质小鼠体内，Luce 等［39］观察到小鼠血浆中心房利尿钠肽的水平明显高于正常小鼠，同时他们还发现附睾白色脂肪的UCP-1、PGC1α和PPARγ 蛋白表达显著增加。为了验证心房利尿钠肽在慢性肾病小鼠模型中促进脂肪棕色化的特定作用，小鼠被给予神经肽抑制剂抑制心房利尿钠肽的分解，提高血浆心房利尿钠肽水平，结果发现实验小鼠的UCP-1 和PGC1α 表达显著升高，并且用含心房利尿钠肽的尿毒症血清刺激健康志愿者的原代脂肪细胞后也发现细胞中UCP-1 和PGC1α 蛋白含量增加。这些结果表明，在慢性肾病恶病质中心房利尿钠肽可促进白色脂肪棕色化，最终导致能量的浪费。

4.9 时钟基因 昼夜节律系统以位于下丘脑内视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）为结构基础。SCN 内的神经元自主运作，并根据光的反应被重置，以协调位于身体组织和细胞中的外周时钟的计时。昼夜节律由多个时钟基因组成的正负转录和翻译反馈回路控制（图1）。时钟基因主要由两个DNA 结合转录因子CLOCK（circadian locomotor output cycles kaput）和 BMAL1（brain and muscle ARNT-like 1）组成［41］，它们通过与启动子上的E-box 位点结合，使核心时钟基因和额外的时钟控制基因如REVERBα等直接转录激活，形成一个自我调节的转录-翻译反馈环来调节产热基因的表达，将昼夜节律和能量代谢联系起来［42］。研究者在Bmal1基因缺失的小鼠模型中发现，白色脂肪中UCP-1、C/EBPβ 和PPARγ 转录物的显著升高，促进白色脂肪的棕色化和产热；与同窝的野生型对照相比，Bmal1基因缺失导致米色及棕色脂肪的质量增加了30%，这说明Bmal1 表达会抑制棕色脂肪的形成及其产热功能［43］。相反，REV-ERBα 在低温条件下迅速降低，且与UCP-1的表达呈负相关，REV-ERBα缺失的正常体温小鼠脂肪组织中的UCP-1 水平也相应升高［44］。在观察MYC癌基因调节人骨肉瘤细胞诱导的恶病质模型中，Masri 等［42］发现 MYC 的异位表达扰乱了昼夜节律基因，使REV-ERBα 激活时钟基因的负转录臂，并刺激AMPK 代谢传感通路，最终导致蛋白质和脂肪的消耗增加。并且在人类淋巴瘤样本中，也发现BMAL1 的表达与MYC 呈负相关。这说明了MYC癌蛋白会扰乱昼夜节律基因的表达，从而影响细胞的新陈代谢，加速恶病质进程。在结直肠肿瘤恶病质小鼠中，恶病质打乱时钟基因表达的节律性，使恶病质小鼠脂质摄取和分解代谢的昼夜表达模式紊乱。在正常小鼠中，PPARδ、PGC1、UCP-1 等参与脂肪酸代谢、机体产热的调节因子在上午10 点的表达达到最高值，而在恶病质小鼠中，这种昼夜表达周期的节律性被打乱，调节因子在一天中所有的时点都有更高的表达［9］。这说明恶病质时机体脂肪的异常消耗和棕色化可能与部分调节因子的昼夜表达规律被破坏有关。这些研究表明，恶病质肿瘤模型病程中时钟基因的无节律表达会造成脂肪代谢调节因子昼夜节律性表达的紊乱和脂肪组织棕色化等异常代谢。

Figure 1. Diurnal heat production is controlled by positive and negative transcription and translation of multiple clock genes. BMAL1（brain and muscle ARNT-like 1）/REV-ERBα binds to E-box sequence to regulate circadian expression and maintain the dynamic balance of 24 h lipid metabolism. Rhythm factor BMAL1 promotes lipid synthesis，reduces the expression of thermogenic protein uncoupling protein-1（UCP-1），and inhibits the growth，development and thermogenesis of brown adipocytes. Its expression increases at night and decreases during the day，which is conducive to the synthesis and storage of lipids at night. On the contrary，REV-ERBα inhibits fat synthesis and storage，increases the expression of thermogenic protein UCP-1 and promotes heat production of brown adipocytes. Its expression increases during the day and decreases at night，which is conducive to the decomposition and utilization of lipids during the day.图1 昼夜产热由多个时钟基因正负转录和翻译控制

除了以上几种恶病质时导致脂肪组织棕色化的主要机制（图2）外，也有其他影响机制的报道。有研究发现前列腺素（prostaglandin，PG）合成限速酶——环加氧酶2（cyclooxygenase-2，COX2）在白色脂肪组织中通过COX-2/PG 途径激活PPARγ 来诱导UCP-1 的过度表达，进而导致恶病质白色脂肪棕色化，增加全身能量消耗［45-46］。有报道证实酒精会增加肿瘤小鼠体内PRDM16 和UCP-1 蛋白的含量，导致白色脂肪组织的棕色化和棕色脂肪组织活性增强，加速脂肪流失［47］。脂肪组织中产热程序负调节因子组蛋白脱乙酰酶3（histone deacetylase 3，HDAC3）的特异性消融会提高PPARγ和UCP-1增强子的乙酰化水平，从而导致恶病质状态下白色脂肪组织的棕色化［48］。

Figure 2. A variety of factors that induce browning of white adipose tissue during cachexia. Natriuretic peptides（NPs）activates peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α（PGC1α）and uncoupling protein-1（UCP-1）expression，and increases mitochondrial uncoupling and total respiration. Irisin increases the expression of UCP-1 by activating extracellular signal-regulated kinase（ERK）and mitogen-activated protein kinase（MAPK）signaling pathways. Parathyroid hormone（PTH）and its related protein（PTHrP）regulate the expression of thermogenic factors such as UCP-1 by affecting PR domain-containing protein 16（PRDM16）and several transcription factors. Zinc-α2-glycoprotein（ZGA）induces PRDM16 to increase the expression of UCP-1 by promoting the recruitment of early B-cell factor 2（Ebf2）/peroxisome proliferatoractivated receptor γ（PPARγ） to the promoter of PRDM16. Exosomes reduce PPAR by delivering circular RNA（circRNA）and microRNA（miRNA）targeting PRDM16 pathway. Signal-regulatory protein α（SIRPα）promotes the phosphorylation of hormonesensitive lipase（HSL）and cAMP-response element binding protein（CREB）to increase the expression of UCP-1. The increase in interleukin-6（IL-6）level upregulates the expression of UCP-1 in white adipose tissue. Cyclooxygenase-2 （COX2） activates PPAR through 7 transmembrane G protein-coupled receptors（GPCRs）through COX-2/prostaglandin pathway to induce the overexpression of UCP-1.图2 恶病质时诱导白色脂肪组织棕色化的各种因素

5 结语

由上述分析可知，恶病质时脂肪组织异常代谢与白色脂肪棕色化密切相关，脂肪组织棕色化会促进脂肪分解，增加血清胆固醇水平，导致脂肪异位沉积，并会诱发异常的炎症反应和机体高消耗的虚弱状态。恶病质时机体异常表达的激素、炎症因子、信号分子和时钟基因等是引起白色脂肪棕色化的重要分子机制。据此，临床治疗上我们可以通过对参与白色脂肪组织棕色化的潜在机制和关键调节因素的干预来缓解甚至阻断恶病质的进程。