动物脂肪组织的分化起源

滑留帅，王 璟，李明勋，孙晓梅，杨东英，陈 宏＊

引言

动物脂肪组织是机体重要的器官，主要负责能量的储存和代谢，同时分泌多种脂肪细胞因子（adipokines）参与机体生理功能的调控。脂肪组织有两种形态，白色脂肪（white adipose tissue，WAT）和棕色脂肪（brown adipose tissue，BAT）。白色脂肪是动物机体的主要脂肪类型，分布于全身各处，如皮下、内脏、肌间等。白色脂肪细胞的特征是细胞内含有一个大的单室脂滴，同时是一个活跃的分泌器官。棕色脂肪的组织学特征与白色脂肪有很大的差异，它主要由含多室脂滴的脂肪细胞组成，并且含有大量的线粒体，棕色脂肪组织集中分布在机体的脊柱、锁骨和肾上腺周围区域，主要参与机体的适应性产热［1］。白色脂肪形成于怀孕后期，但在产后脂肪体积才迅速增加，有一点例外的是，动物的皮下脂肪主要在子宫时期增加，可能是为了维持出生后的体温恒定。机体脂肪组织的分布在一生中是处于一个动态变化之中的，白色脂肪的数量在青春期会大量增加，但是到了成年机体脂肪含量相对稳定。如果成年个体处在高营养状态下，脂肪细胞的体积和数量也会迅速增加，但是在减肥的过程中，一般仅仅与脂肪细胞的体积减少有关，而脂肪细胞的数目变化不大［2］。当机体逐渐衰老的时候，脂肪就会慢慢丧失其功能，并且会从皮下慢慢向内脏和其他位点聚集，包括骨髓、肌肉、肝脏等。这些变化与代谢综合症往往密切相关联。一生之中脂肪组织都在不断自我更新，前体脂肪细胞约占到脂肪组织中15%～50%的比例。随着逐渐衰老，前脂肪细胞逐渐失去增殖和分化的能力，让机体更多的暴露在自由脂肪酸（free fatty acids，FFA）的脂毒性中，从而诱导跟年龄相关联的脂肪炎症，脂肪组织炎症能够进一步减少脂肪的生成，而加剧机体中的脂毒性，进而加剧前脂肪细胞和巨噬细胞的炎症反应，最终形成一个自反馈环，导致机体功能的丧失［3］。由于脂肪组织的功能紊乱与人类的肥胖病、糖尿病以及代谢综合症密切相关，多年以来机体脂肪组织的细胞分化起源一直是研究的热点。

1 脂肪分化起源研究的实验模型

脂肪生成的第一步是胚胎干细胞分化为间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）。MSCs具有多分化潜能，在适当的刺激下还可以分化前脂肪细胞、成肌细胞、成软骨细胞或成骨细胞等。其中前脂肪细胞在脂肪分化因素的刺激下能够进一步分化为成熟的脂肪细胞［4］。为了分析从MSCs到成熟脂肪细胞的调控模式，人们设计了多种实验模型来解决这个问题。最常用的是Fabp4基因启动子驱动的脂肪组织特异性基因表达模型，或者Fabp4基因启动子驱动Cre重组酶，进而生成脂肪组织特异性敲除基因模型。但是这样的模型最大的缺点是，由于FABP4以PPRAg依赖的方式表达于脂肪细胞分化的晚期，所以不能用于研究早期影响脂肪分化的基因。支系追踪（lineage－tracing）研究很好的解决了这一问题，它借助于Cre－lox系统，可以用于研究细胞群在短的时间内曾经表达过哪些重要的基因。例如，在一个转基因鼠中敲入黄色荧光蛋白（yellow fluorescent protein，YFP），这个黄色荧光蛋白由Rosa26启动子驱动，并且在YFP编码区的上游加入一个由loxP包围起来的终止密码子，所以在正常情况下，尽管Rosa26启动子有活性也不能驱动黄色荧光蛋白的表达。在另一个转基因小鼠中敲入Cre重组酶，该重组酶由 Myf5（myogenic factor 5）基因的启动子启动，用于指示细胞在某个时间点曾经表达过Myf5。两种转基因鼠杂交后，新生小鼠的组织中如果曾经瞬时或长久表达过Myf5就会发出黄色荧光，原理是Myf5启动子的瞬时激活就能诱导Cre重组酶的产生，Cre重组酶能够将黄色荧光蛋白前面的终止密码子去除，从而在Rosa26启动子的转录激活下，表达黄色荧光蛋白［5］。在这些实验模型的基础上，人们得以发现机体各个组织中不同细胞类型的分化起源。

2 白色脂肪、棕色脂肪和肌肉细胞的分化起源

白色脂肪、棕色脂肪和肌肉组织都来源于MSCs［5］，长期以来，人们一直以为白色脂肪和棕色脂肪的分化起源更加亲近，但新的研究表明肌肉和棕色脂肪的前体细胞都能表达早期肌肉标记基因Myf5，而白色脂肪的前体细胞则不表达。同时Pax7基因（paired－box 7，Pax7）敲除小鼠研究表明，棕色脂肪和肌肉的前体细胞还都能够在胚胎期10.5d表达Pax7基因。在棕色前体脂肪细胞中敲除锌指转录共调控因子 PRDM16（PR domain－containing 16）能够诱导肌肉相关基因的表达并促进骨骼肌的形成［6］。这些研究都表明白色脂肪和棕色脂肪在早期发育阶段有着不同的前体细胞，同时棕色脂肪与肌肉的分化支系更加亲近。在冷刺激或β－肾上腺素信号的刺激下，白色脂肪能够展现一定的棕色脂肪的特征，如表达 UCP1（uncoupling protein 1）。白色脂肪组织中新形成的棕色脂肪细胞与棕色脂肪组织中的棕色脂肪细胞的发育形式是不同的，这说明白色脂肪组织能够响应这些刺激从而将白色脂肪细胞转化为棕色脂肪细胞，或者经历了全新的棕色脂肪细胞分化［7］。

3 脂肪组织和肌肉组织中的前体脂肪细胞的鉴定

之前从形态上来区成纤维状的前脂肪细胞和非前脂肪细胞几乎是不可能的。随着流式细胞仪、转基因动物模型和干细胞表面标志抗原识别等技术的发展，使我们可以从白色脂肪组织的基质血管组分（stromal vascular fraction，SVF）中分离出前体脂肪细胞和能够分化为多个支系（内皮细胞，脂肪，软骨和骨等）的间充质干细胞。这些细胞终生都存在，用于更换衰老的脂肪细胞或者等营养充足时增加脂肪细胞的数量。其中来自脂肪组织基质的造血细胞支系（Lin－：CD29＋：CD34＋：Sca－1＋：CD24＋）能够在体外自发的进行脂肪分化。但是这个支系不能重建自由采食的野生型小鼠的脂肪组织，仅能够在脂肪萎缩小鼠和高脂日粮饲喂的野生型小鼠中重建脂肪块。原因可能是这些移植的前体脂肪细胞如果增殖的话，需要一个能够支持前脂肪细胞分化和增殖的微环境。在脂肪萎缩的组织和快速增殖的脂肪块中存在这样的环境，而在正常饲喂的野生小鼠中不存在［8］。而对 应 的 一 个 CD24－细 胞 支 系 （Lin－：CD29＋：CD34＋：Sca－1＋：CD24－），也能够在体外分化为脂肪细胞，但是不能够在脂肪萎缩或高脂日粮饲喂的小鼠体内重构脂肪块。说明这群CD24－细胞支系在体内与CD24＋细胞支系的功能并不相同。之前有许多研究直接使用混合的SVF做分化研究，可能过高的估计了这样的混合细胞群体的活体分化潜能。

一直以来人们都把肌卫星细胞当做是肌内脂肪的前体脂肪细胞，随着研究的进展，人们能够通过细胞表面抗原将肌卫星细胞进一步细分，结果显示肌内脂肪的前体细胞有别于肌卫星细胞。利用卫星细胞的标志SM／C－2.6可以把卫星细胞分离开，在培养的细胞中，SM／C－2.6＋细胞群能够高效的分化为骨骼肌细胞，但是即便在脂肪分化的培养基中也不能形成脂肪细胞，说明卫星细胞并不是脂肪前体细胞。而SM／C－2.6－细胞群体能够表达PDGFRa，所以称为PDGFRa＋间充质前体细胞，在肌肉来源的细胞类群中，只有PDGFRa＋能够高效分化为脂肪细胞。在活体移植试验中表明，只有SM／C－2.6＋细胞能够再生肌纤维，而只有PDGFRa＋细胞能够分化成脂肪细胞。这些结果说明PDGFRa＋间充质前体细胞是骨骼肌中异位脂肪沉积的主要来源。成熟的肌肉细胞与PDGFRa＋间充质前体细胞间存在互作，由肌卫星细胞分化来的肌纤维能够显著抑制PDGFRa＋的成脂分化，而PDGFRa＋细胞的分化对肌肉生成有抑制作用，其增值能够以剂量依赖的方式促进肌肉生成［9，10］。

肌肉细胞来源的PDGFRa＋细胞与白色脂肪组织来源的脂肪前体细胞（adipocyte progenitors，APs）的细胞表面标志特征很相似［11］。但是PDGFRa＋细胞与APs的关系仍然不清楚。相对PDGFRa＋细胞来讲，APs具有更大的分化潜能，能够分化成为更多其它的间充质细胞支系，但PDGFRa＋细胞和APs都能够在体内分化形成脂肪组织，两者都与血管相关联。APs表达周细胞的标志而PDGFRa＋细胞不表达。另外，APs中大部分都是PPARg＋细胞，年轻小鼠的肌肉中并没有PPARg＋细胞，但老年小鼠的肌肉细胞中存在PPARg＋细胞。但是老年小鼠骨骼肌中的PPARg＋细胞并不表达平滑肌actin（smooth muscle actin），表达平滑肌actin则是脂肪组织来源的PPARg＋细胞的标志。这些都说明肌肉细胞来源的PDGFRa＋细胞与色脂肪组织来源的脂肪前体细胞可能是不同的细胞类型，他们的不同可能由各自组织微环境的不同而造成［10］。

4 脂肪前体细胞的其它来源

动物机体的各个组织都含有具有脂肪分化潜能的前体细胞，其中骨髓组织是间充质干细胞和造血干细胞的重要来源。尽管骨髓间充质干细胞不参与循环，但拥有间充质干细胞特征的造血干细胞则能够离开骨髓转运到其他组织中去。因此，我们推测一部分的脂肪组织可能由骨髓来源的前体细胞转化而来，这样的推测在试验中得到了证实［12］。另外，研究表明小鼠胚胎干细胞来源的神经上皮细胞也能够分化为脂肪细胞，说明胚胎的神经外胚层也有可能成为脂肪细胞的分化来源［13，14］，这些结果都进一步说明了机体脂肪组织分化起源的复杂性［15］。

展望

脂肪组织是一个复杂的分泌器官，其对于调控机体的能量平衡和生理功能具有重要的作用。动物脂肪组织的生成受到内外诸多因素的协同作用，在阐释脂肪组织分化起源的研究上还需要更多的工作，例如白色脂肪组织中前体脂肪细胞如何动态变化，白色脂肪组织在冷刺激条件下如何生成棕色脂肪，冷刺激生成的棕色脂肪的前体脂肪细胞是什么，肌肉组织中的前体脂肪细胞如何动态变化，肌肉组织中前体脂肪细胞定向分化的微环境是什么，机体还有那些细胞能够分化成为脂肪细胞，机体每个部位的前体脂肪细胞有何异同。通过解决这些问题来进一步研究动物脂肪组织的分化起源，有助于我们理解机体脂肪沉积的具体机制，从而为治疗脂肪代谢相关疾病以及提高动物肉品品质提供理论依据。

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