棕色脂肪分化的信号调节及其运动适应机制研究进展

史珺 漆正堂 丁树哲

青少年健康评价与运动干预教育部重点实验室，华东师范大学体育与健康学院（上海200241）

哺乳动物体内一般存在两种类型的脂肪组织，分别为白色脂肪组织 （white adipose tissue，WAT）和棕色脂肪组织（brown adipose tissue，BAT）。从形态学看，棕色脂肪细胞内分布着很多小脂滴，呈现“多室”特征，而白色脂肪细胞内只含有一个大脂滴，表现为“单室”特征；在能量代谢方面，WAT 以脂肪储存为主，BAT 则主要以氧化脂肪释放能量为主。 采用18FDG -PET （18fluoro -labeled 2 -deoxy -glucose positron emission tomography） 扫描技术可清楚地显示，大部分正常成人颈部、腋窝、锁骨、脊髓和腹腔等部位有明显的棕色脂肪库。 BAT 的含量与人体整体肥胖水平呈反比[1，2]，与BMI 也呈反比关系[3，4]。 近些年来， 关于棕色脂肪分化机制及其运动适应的研究有许多新进展，本文对此进行综述。

1 BAT 与肥胖

早在19 世纪30 年代， 研究者就希望通过产热增加能量消耗来治疗肥胖，药物治疗是方法之一。 药物通常有明显的特异性，常常作用于交感神经系统[5]，中断产热和摄食的关联，BAT 是大多数药物的靶组织。目前纤维原细胞生长因子21（Fgf21）[6]和胆汁酸[7]被认为是潜在的生热剂， 但是长期服用这些药物可能对心血管系统产生有害影响。 冷暴露也是方法之一，长期冷暴露可使BAT 最大化适应性产热。 大鼠实验表明，高脂膳食肥胖老鼠在-4℃环境中治疗，肥胖得到改善[8]。 Yoneshiro 等[2]的研究发现，冷暴露导致的能量消耗增加与BAT 的分化呈正相关， 提示BAT 应被归入到冷暴露导致能量消耗增加的机制之中。Cypess 等[1]采用18FDG-PET 技术对1972 名患者进行实证研究， 结果显示BAT 的含量与BMI 呈反比，尤其是对老年人而言。 Vijgen 等[4]对病态肥胖者的研究也 显示，BAT 的活性与BMI、BF%（body fat percentage）呈反比。鉴于BAT 与肥胖的高度相关性，研究者对BAT 产热耗能治疗肥胖进行了深入研究。Leibel 等[9]的经典研究显示，肥胖者减肥后其整体能量消耗 （基础代谢率） 比相同体重未减肥者下降20%，且这种下降是永久性的。 Rothwell 等[10]的研究表明， 成人体内40～50 g 的功能型BAT 足以增加人体20%的基础代谢率。 而根据van Marken Lichtenbelt 等[11]的研究推算， 成人体内250 g 的功能型BAT 才可以增加全身基础能量消耗的20%。 目前，BAT 是唯一被确认可以非颤栗性产热的组织器官[12]。 利用BAT 治疗肥胖还要进行长期的摸索。

2 棕色脂肪分化

2.1 棕色脂肪的分化路径

研究者原本认为棕色脂肪与白色脂肪拥有相同的分化前体，但后来发现并非如此。 Myf5（生肌因子5）是在胚胎发育时肌祖细胞中最早被诱导表达的因子，是生肌调节因子家族（MRFs）的一个成员。 Myf5-（Myf5-negative） 祖细胞可分化为血管基质层（stromal vascular fraction，SVF），SVF 最终分化为白色脂肪细胞[13]。Myf5+（Myf5-positive）祖细胞可诱导分化为中央生皮肌节（central dermomyotome），后者最终分化为肩胛间经典棕色脂肪细胞和骨骼肌细胞[14]。 因此， 经典棕色脂肪细胞与骨骼肌细胞在分化上具有同源性，这一同源性很可能决定了BAT 的代谢特征与WAT 相距较远，而与骨骼肌更为接近。 棕色脂肪细胞富含线粒体也是BAT 与骨骼肌同源性的又一特征。

另一方面， 棕色脂肪也可能来源于白色脂肪的转分化。 UCP1 是BAT 产热的关键基因， 也是BAT的特异性表达基因。 在长期冷暴露和β 肾上腺素能受体激动剂的刺激下， 成年动物白色脂肪细胞可能分化为UCP1-positive 脂肪细胞。 这些诱导产生的棕色样脂肪细胞（beige cells 或者brite cells）具有许多经典棕色脂肪细胞的生化和形态特征， 包括细胞内脂滴具有“多室”的特征[15]。 但它们来自Myf5-细胞系，与经典棕色脂肪细胞有着截然不同的起源。重要的是， 棕色脂肪细胞分化与转录因子PRDM16 相关联，PRDM16 是引导棕色脂肪分化的决定性因子，而这些来自WAT 的brite cells 虽然有消耗脂肪产热的能力，但并不能表达PRDM16，而仍表达WAT 特异性的转录因子Hoxc9[16]。目前，尚不清楚brite cells 的表型是否为啮齿动物所特有，人体WAT 中是否可以观察到这种表型。 一些人体研究显示，人体WAT 转分化为BAT 要依赖PRDM16[17]，这与大鼠brite cells的转录表达似乎并不一致。 目前尚不清楚是否所有的WAT 都有可能被诱导棕色脂肪样表型，并且这种诱导是否受年龄、胰岛素敏感性等因素的影响。

简而言之，在发育起源上，棕色脂肪和白色脂肪由不同的祖细胞分化而来， 棕色脂肪和骨骼肌由Myf5+祖细胞分化，WAT 由Myf5-祖细胞分化。但白色脂肪在一定条件下也可转分化为棕色脂肪。 这两种途径都可能是棕色脂肪的分化途径（如图1 所示）。

图1 棕色脂肪的分化路径及其调控因子

2.2 棕色脂肪分化的调控因子

棕色脂肪细胞与白色脂肪细胞有相似之处，二者的形态分化都受PPARγ（peroxisome proliferatorsactivated receptor γ） 和 C/EBP （CCAAT/enhancer binding protein）家族成员的转录调控[18]。 PPARγ 和C/EBPα 是脂肪细胞分化的重要转录调控因子，二者协同调控脂肪细胞分化。C/EBPβ 在脂肪形成的早期阶段被迅速诱导，对PPARγ、C/EBPα 的转录诱导起关键作用。

2.2.1 棕色脂肪分化的抑制因子

近年来， 对棕色脂肪分化的抑制因子研究有一些新进展， 但研究较为分散。 RB（retinoblastoma protein）蛋白家族成员包括pRB、P107、P130，它们能够与E2F 转录因子家族的蛋白结合， 抑制靶基因转录。 已经证实RB 参与脂肪、 肌肉等多种组织的分化。 Hansen 等[19]的研究表明，白色脂肪前体细胞的pRB（retinoblastoma protein）失活，导致棕色脂肪特异性UCP-1 表达。 且在β3-肾上腺素受体激动剂治疗时，pRB 表达下调伴随着白色脂肪棕色化。 P107 对白色脂肪棕色化起抑制作用。 Scimè 等[20]将出生后5天的小鼠敲除P107， 到3 周龄时70%的小鼠死亡。解剖显示，敲除P107 的小鼠WAT 含量严重受损，且棕色脂肪特异性因子PGC-1α 和UCP-1 表达水平均显著性升高。 RIP140 是一个配体依赖性的核受体活性抑制因子。 RIP140 对白色脂肪棕色化和线粒体呼吸有明显的抑制作用[21]。 RIP140 敲除后导致白色脂肪棕色化关键因子的表达发生改变，包括UCP-1、PPARγ、cidea 等均上调。 相比较棕色脂肪分化的抑制因子， 对棕色脂肪分化诱导因子的研究更为系统和深入。

2.2.2 棕色脂肪分化诱导因子

从前脂肪细胞直到终末分化为棕色脂肪细胞，目前被证实的有利于棕色脂肪细胞生成的分子有：PRDM16、PPARα、PPARγ、PGC-1α（peroxisome proliferator -activated receptor -γ co -activator 1α）、C/EBPα、CREB （cyclic AMP response element binding protein）、microRNA 等[22]。 相对于WAT，PGC-1α 在BAT 中特异性高表达。 PGC-1α 作为辅因子能与PPARγ 结合，并作用于UCP1 的启动子。在白色脂肪细胞中过表达PGC-1α 能诱导线粒体生成及UCP1表达[23]。 PRDM16 由Spiegelman 实验室发现并于2007 年首次报道，在BAT 中特异性表达。 从目前的研究来看，PRDM16 可看作是棕色脂肪分化的辅激活因子，可调控PPARα、CtBP、PGC-1α、PPARγ 的转录活性，诱导棕色脂肪特有基因的表达。PRDM16 与PPARα 结合后激活其转录活性，可以诱导棕色脂肪/骨骼肌的转化[15]。 有研究指出PRDM16 的表达可能是由于PPARα 的刺激，因此得出WAT 中PPARα 的激活导致了棕色脂肪基因表达， 如PGC-1α 和PRDM16[18]。而PGC-1α 和PRDM16 的表达又会促进WAT 中UCP1 的表达，即白色脂肪棕色化[24]。另一方面，PRDM16 与辅助共抑制因子CtBP-1 （Cterminal-binding protein-1）和CtBP-2（C-terminalbinding protein-2） 结合后，PRDM16 被募集到WAT特有基因的启动子上，然后抑制这些WAT 特异性基因的转录，从而抑制向白色脂肪的分化[25]。 更为重要的是，在成纤维细胞中，PRDM16 与C/EBPα 配对后，依然有激活棕色脂肪分化的能力[25]。 总之，PRDM16在棕色脂肪细胞分化过程中扮演着非常重要的角色。

Ahfeldt 等[26]的研究显示，PPARγ2 可诱导间质干细胞（mesenchymal progenitor cells，MPCs）或者脂肪源间质血管细胞（adipose-derived stromal vascular cells，ADSVCs）分化为白色脂肪细胞，而当C/EBPβ与PRDM16 结合到PPARγ2 后， 就会出现棕色脂肪的表型，伴有UCP1 高表达。 另一个非常重要的调节物 是insulin/IGF-1，insulin/IGF-1 通 过IRS-1 磷 酸化刺激棕色脂肪的分化， 经过Ras-ERK1/2 通路和磷酸肌醇3 蛋白激酶通路 （phosphoinositide 3 kinase-Akt pathway） 协同作用抑制necdin 表达[27]。necdin 可以加强成肌分化，抑制脂肪分化。 先前的研究也表明[28]，敲除胰岛素受体底物（insulin receptor substrate，IRS）后，necdin 显著升高，细胞分化停止。而当重组IRS 后，necdin 基因沉默，此时细胞重新向棕色脂肪细胞分化。

2.2.3 microRNA

最新研究显示，microRNA 与棕色脂肪分化相关， 且不同的microRNA 对棕色脂肪分化有不同的调节作用， 如microRNA-133 起抑制作用，miR-193b-365 起诱导作用。研究者发现miR-133 通过作用于靶基因PRDM16 的3’-UTR 区调控肌肉干细胞和棕色脂肪细胞分化。 miR-133 AntagomiR 是人工合成的miR-133 反义RNA。 在生肌过程中经过miR-133 AntagomiR 处理可增加肌细胞解偶联作用、生热作用以及增强全身的能量消耗，调控肌肉干细胞向棕色脂肪细胞分化。研究表明，暴露于冷环境下的小鼠miR-133 水平下调，导致肌肉干细胞重新生成棕色脂肪组织[29]。 另一个有调节作用的分子是miR-193b-365。 miR-193b-365 是一个有利于脂肪形成的共转录miRNA 基因簇， 包含miR-193b 和miR-365 等转录因子。 Sun 等[30]对SVF 细胞分化的研究显示，miR-193b-365 是棕色脂肪形成所必需的。 实验用锁核酸LNA 阻碍miR-193b 和miR-365对棕色脂肪形成的影响。 结果显示，与对照组相比，棕 色 脂 肪 标 记 蛋 白Cidea、Dio2、PGC-1α、PPARγ、PRDM16、UCP1 均显著下降。 miR-193b 可能通过抑制RunX1T1 诱导棕色脂肪形成，RunX1T1 是抑制棕色脂肪表型的转录因子。 同时miR-193b 抑制肌生成相关因子Cdon、lgfbp5、Pax3、MyoD，阻止棕色脂肪前体细胞向肌源性细胞分化。miR-193b 也可以上调PPARγ 和C/EBPα 等棕色脂肪终末分化的标记蛋白。 miR-193b-365 受PRDM16 调 控，PRDM16 与PPARα 相互作用，促进miR-193b 和miR-365 的表达[30]。

棕色脂肪分化受诱导因子和抑制因子的共同调节，目前对棕色脂肪分化抑制因子的研究较为粗浅。此外，microRNA 对棕色脂肪分化的调节起着重要作用， 但当前对microRNA 对棕色脂肪分化调节的研究很少， 未来需要探索更多microRNA 对棕色脂肪分化的调控作用， 并厘清microRNA 如何调控棕色脂肪分化的诱导因子和抑制因子。

3 运动与白色脂肪的转分化

鉴于棕色脂肪与肥胖呈负相关，过去几十年，研究者进行各种动物实验，试图研究运动对BAT 的活化和募集是否有益。令人失望的是，大多数研究都没有发现运动对BAT 的活化有任何作用[31，32]。 但是近几年一些对啮齿动物的研究显示， 运动对棕色脂肪和beige cells 有刺激作用[33-36]。Xu 等[33]的小鼠实验研究表明，运动增加了肩胛间BAT 脂肪前体细胞的募集，且使UCP-1 的表达增加了2 倍。 Seebacher 等[34]的研究表明， 低温环境低强度运动训练可以增加骨骼肌和棕色脂肪PGC1α、PPARγ 和NRF-1 mRNA的水平。 研究显示仅在运动和冷暴露相结合的情况下可以增加棕色脂肪UCP-1 的表达，而单独的冷暴露则无此效应。 这表明，运动对于BAT 的产热机制是必要的。另一个研究也表明，一周训练后小鼠的内脏白色脂肪出现beige cells， 运动组内脏WAT 中UCP-1 高表达细胞是对照组的8 倍[35]。 Bostrm 等[36]研究了耐力运动对白色脂肪棕色化的标记蛋白如PRDM16、UCP1 和Cidea 等的影响，结果同样显示增加。

3.1 Irisin 信号途径与白色脂肪棕色化

最近研究还发现一种名为Irisin 的新激素与白色脂肪棕色化关系密切。 PGC-1α 促进膜蛋白FNDC5 表达，FNDC5 经剪切和修饰后， 转变为新激素Irisin。Bstrom 等[36]发现Irisin 的前体蛋白FNDC5诱导皮下白色脂肪棕色化，SVF 分化为脂肪细胞的过程中， 经过20 nmol/L 的FNDC5 处理后，UCP-1 mRNA 水平升高7～500 倍， 产热基因UCP1、Elovl3和Cidea 等均上调。 病毒介导小鼠肝脏过表达FNDC5 使血浆中Irisin 的浓度升高3～4 倍，Irisin 浓度的升高导致皮下白色脂肪UCP-1 mRNA 水平升高13 倍，能量消耗增加。 这表明Irisin 作用于白色脂肪细胞，刺激UCP1 表达以及广泛作用于白色脂肪棕色化的过程中，最终导致能量消耗增加。 但也有研究持相反意见，Timmons 等[37]的研究表明，运动对Irisin的前体蛋白FNDC5 的刺激作用受限。研究者对参加耐力训练和抗阻训练的200 名受试者进行肌肉活检，运用基因表达谱未检测到FNDC5 mRNA 水平有显著性增加。 Huh 等[38]的研究显示，年轻健康的受试者进行急性无氧运动（短跑）后Irisin 水平升高，但是8 周无氧训练却未使Irisin 水平变化。 目前还没有研究检测有氧训练对Irisin 的影响，而有氧运动相比较无氧运动能更大程度地增加PGC-1α 表达， 因此未来研究的焦点应集中于有氧运动对Irisin 的影响。

3.2 Sirt1 信号途径与白色脂肪棕色化

哺乳动物Sirtuin 蛋白家族包含7 个成员（Sirtuin1-7），它们均以NAD+作为辅酶，发挥去乙酰化酶或ADP-核糖基转移酶的活性作用，参与调控许多重要的生命过程，如基因沉默、肌肉分化和DNA损伤修复等。 Sirt1 是哺乳动物中第一个被发现的Sirtuin 蛋白家族成员， 也是目前研究最为深入的Sirtuin 蛋白。

Sirt1 与白色脂肪棕色化关系密切。Qiang 等[39]提出一种机制， 即Sirt1 介导PPARγ 脱乙酰基作用可能促进白色脂肪棕色化。 Sirt1 激活后，PPARγ 募集Sirt1， 配体构象发生改变，PPARγ 脱乙酰基Lys268和Lys293 位点。 在WAT 中，脱乙酰基的PPARγ 与PRDM16 相作用， 促进能量的生成和白色脂肪棕色化。 现已确定Sirt1 作为PPARγ 脱乙酰酶，其效应可以模拟配体依赖性PPARγ 活化的结果， 该过程与PPARγ 募集棕色化辅因子PRDM16 和清除辅抑制物NCoR 相关。 PPARγ 配体的棕色化功能， 以及PPARγ 配体选择性募集辅激活因子PRDM16 的能力应归入到PPARγ 脱乙酰化的统一机制。白色脂肪组织中Sirt1 介导白色脂肪棕色化的功能，应当区别于棕色脂肪中Sirt1 的功能，因为研究者在小鼠实验模型中未发现棕色脂肪Sirt1 有任何功能的增减。 值得注意的是，Sirt1 在室温下不能诱导iWAT（subcutaneous WAT）的棕色化基因，提示Sirt1 介导的iWAT 棕色化需要激素和环境作用，比如冷暴露。因此，乙酰化PPARγ 的Lys268 和Lys293 可能被当作识别因素调节棕色化过程。 乙酰化PPARγ 的Lys268 和Lys293 有利于脂质存储，相反，PPARγ 去乙酰化使能量储存向产热耗能转化。

运动激活Sirt1 信号途径的机制可能为热量限制理论，当营养物可供机体利用时，Sirt1 处于无活性状态，运动至能量耗竭时Sirt1 被激活[40]。目前尚没有运动对白色脂肪Sirt1 活性影响的研究报道，但是有研究显示不论是短时间大强度运动， 还是耐力运动均可增加骨骼肌Sirt1 的活性及其表达，且不受年龄等因素制约。 基于Sirt1 介导PPARγ 脱乙酰作用，促进白色脂肪棕色化，运动可能激活白色脂肪Sirt1，诱导白色脂肪棕色化（如图2 所示）。

图2 运动对白色脂肪转分化的作用机制

4 小结

近年来对于棕色脂肪分化的研究有了很多新进展，对棕色脂肪的来源也有了新认识，即白色脂肪在一定条件下可以转分化为棕色脂肪， 白色脂肪棕色化后能显著提高机体的能量消耗， 因此棕色脂肪分化与肥胖的发生有密切关系， 也为减肥研究提供了新思路。目前研究发现，棕色脂肪分化的抑制因子主要有pRB、P107、RIP140 等， 诱导因子有PRDM16、PPARα、PPARγ、PGC-1α、Insulin/IGF-1、CREB 等，此外，microRNA 对棕色脂肪分化有调节作用。 运动对肥胖的干预可能通过Irisin、Sirt1 信号途径诱导白色脂肪棕色化，但还需更多的实证研究。

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