动物白色脂肪组织棕色化的调控机制

温 佳,王一民，葛 静，谭 婧，李 鹏，张 康，史新娥

(西北农林科技大学 动物科技学院 动物脂肪沉积与肌肉发育实验室，陕西 杨凌 712100)

肥胖是我国进入21世纪以来最大的健康问题，它会诱发多种代谢性疾病，如脂肪肝、2 型糖尿病、心血管疾病、特定类型的癌症、视网膜病变、关节炎，严重的会诱发心肌梗死和脑卒中等。哺乳动物体内的白色脂肪主要用于储存能量，而棕色脂肪则可以通过非战栗性产热来燃烧脂肪，使机体温度保持恒定，因此，在棕色脂肪的分化通路上进行调控, 使棕色脂肪组织生成增加或促使白色脂肪向棕色脂肪转化可能为治疗肥胖提供一个比较有效的方法。本文主要通过对控制白色脂肪组织棕色化的转录因子、分泌因子、miRNA、调控信号通路进行总结，为其在畜牧业及医学的应用提供依据。

1 脂肪组织的分类

脂肪组织是机体内重要的能量储存库[1]，其在能量储存中的作用使得脂肪细胞更适合于能量平衡的调节，脂肪组织也可作为维持体内葡萄糖稳态的一种关键的整合系统[2]。哺乳动物体内根据脂肪组织不同的颜色和功能可分为三类：白色脂肪组织(white adipose tissue，WAT)、棕色脂肪组织(brown adipose tissue，BAT)和米色脂肪(beige cell)。

1.1 白色脂肪组织

目前机体脂肪组织中最主要的是白色脂肪，其起源也早于棕色脂肪[3]。白色脂肪的主要功能是以甘油三酯的形式储存能量，甘油三酯在细胞液中呈大脂滴状态。白色脂肪可分泌大量的激素及细胞因子(脂肪)影响其他组织进而调节整体的能量平衡。若白色脂肪过多，激素和细胞因子的分泌增多，可使代谢平衡紊乱，并引起一些相关病症，如胰岛素抵抗症和2型糖尿病[4]。

1.2 棕色脂肪组织

棕色脂肪主要存在于哺乳动物体内，Cypess等[5]证明了人体内也存在BAT，约占成人脂肪组织的10%。棕色脂肪来源于生肌决定因子5(myogenic factor 5，Myf5)阳性祖细胞[6]。

棕色脂肪是哺乳动物非颤栗性产热的场所[7]，可以燃烧脂肪，将化学能转化为热能维持体温[8]。通过产热或消耗葡萄糖和清除血液中的甘油三酯来消耗能量进而预防肥胖[1]；棕色脂肪大量表达解偶联蛋白1(uncoupling protein 1，UCP-1)，其可解偶联线粒体氧化磷酸化，促进游离脂肪酸代谢，从而消耗机体过剩的能量[4]。除此之外，棕色脂肪细胞也可分泌在白色脂肪细胞中大量存在的激素和细胞因子，比如抵抗素，其可增强胰岛素耐受性。

1.3 米色脂肪

机体受到冷刺激之后，白色脂肪组织中会出现棕色样脂肪细胞(brown-like adipocyte)，这个过程被称为“白色脂肪棕色化”。出现在WAT区域的棕色样脂肪细胞与棕色脂肪组织不同，其更接近于白色脂肪细胞谱系。出现在WAT的棕色脂肪细胞通常被称为米色脂肪细胞[7，9]。

米色脂肪细胞在未激活前类似于白色脂肪细胞，具有低水平表达的UCP-1，受到冷刺激或长时间去甲肾上腺素刺激时，脂滴发生变化，与棕色脂肪一样，在环腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)的刺激下，表达高水平的UCP-1，并提高了呼吸频率[9]。因此，米色脂肪同棕色脂肪在功能上相似，均可消耗脂肪，减轻体重，改善新陈代谢，并有助于提高葡萄糖耐受性和增强胰岛素敏感性。

2 调控白色脂肪棕色化的关键因子

白色脂肪棕色化是一个复杂的过程，受到多种转录因子、分泌蛋白及微小RNA(microRNA，miRNA)的调控。

2.1 转录因子

在动物白色脂肪棕色化过程中， PR结构域家族的第16个成员(PR domain-containing 16，PRDM16)、过氧化物酶体增殖激活受体γ辅激活因子1(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1，PGC-1)、过氧化物酶增殖物激活受体-γ(peroxisome proliferator-activated receptor-γ，PPAR-γ)、同源盒基因c10(homeobox c10，Hoxc10)和脂肪组织中分化抑制子1(inhibitor of differentiation -1，Id1)等关键转录因子发挥重要作用。

与白色脂肪细胞相比，PRDM16在棕色脂肪细胞中高度表达，是调节BAT分化的重要转录因子[10]。当PRDM16在白色脂肪细胞的祖细胞中表达时，可激活棕色脂肪型的解偶联呼吸作用，并且PGC-1α、UCP-1、Ⅱ型脱碘酶基因(type 2 deiodinase gene，Dio2)的表达量也会显著增加[10]。研究表明，棕色脂肪前体细胞缺失PRDM16，会引起棕色脂肪特性损耗，并促进肌肉分化，敲除PRDM16后会发生棕色脂肪形态异常，产热基因表达减少并且肌肉特异性基因表达升高[11]。PRDM16还可与其他转录因子结合进而调节其活性，如PRDM16-CCAAT/增强子结合蛋白β(C/EBP-β)复合物可诱导成肌细胞的前体细胞分化为棕色脂肪细胞[12]。另外，其他转录因子也可以通过调控PRDM16的表达来调节白色脂肪棕色化。Hoxc10在白色脂肪组织中表达，可通过抑制PRDM16的表达来抑制白色脂肪棕色化，降低小鼠在寒冷条件下的产热能力[13]。Patil等[14]研究发现，过表达Id1会导致小鼠肥胖，进一步研究表明，Id1可降低PGC-1α的转录活性，抑制PRDM16和UCP-1的表达，从而抑制了白脂棕色化，降低小鼠的产热能力。

PGC-1是细胞中一种重要的转录因子家族，包括PGC-1α、PGC-1β和PGC-1相关共激活因子(PGC-1-related coactivator，PRC)三种，在维持血糖、血脂和能量平衡方面发挥着至关重要的作用[15]。研究表明，敲除小鼠体内的PGC-1α之后，小鼠会发生产热障碍[16]。但也有实验表明，PGC-1α缺失不会减少棕色脂肪细胞的分化，只是显著减少产热标志基因的表达[17]。同时，PGC-1α在细胞分化诱导线粒体合成中发挥重要作用，视网膜母细胞瘤蛋白(retinoblastoma protein，pRb/RB/RB1)和视网膜母细胞瘤样蛋白1(retinoblastoma-like protein 1，RBL1)可调节PGC-1α的表达进而调控白色脂肪和棕色脂肪细胞的分化[18]。另外，PRDM16-CCAAT/增强子结合蛋白α(C/EBP-α)主要是维持PPAR-α的表达，促进脂肪细胞的棕色化，而PPAR-γ受肾上腺素刺激后，可控制细胞内UCP-1的表达，促进棕色脂肪细胞的分化[12]。

2.2 分泌因子

多项研究结果表明，成纤维细胞生长因子21(fibroblast growth factor 21，FGF21)、鸢尾素(Irisin)、白介素-6(Interleukin 6，IL-6)、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)、含纤连蛋白III域结合蛋白5(fibronectin Type III domain containing 5，FNDC5)等分泌蛋白参与白色脂肪组织棕色化的过程。

FGF21参与糖代谢、胰岛素敏感性和生酮作用，进行体内的代谢调控。研究表明，产热激活后，棕色脂肪组织是血液循环中FGF21的来源[19]。FGF21能够促进白色脂肪中产热基因的表达，并通过PGC-1α促进腹股沟白色脂肪棕色化[19]。小鼠缺乏 FGF21会使其适应寒冷的能力受损，减少白脂棕色化的发生。脂肪源性 FGF21以自分泌或旁分泌的方式增加 UCP-1和其他产热基因在脂肪组织中的表达，提高PGC-1α的表达水平[20]。

Irisin是一种分泌性蛋白，能刺激UCP-1的表达，降低体重，改善糖代谢[21-22]，同时，还可促使白色脂肪细胞中PPAR-α mRNA表达[23]，诱导皮下白色脂肪组织转化为棕色脂肪组织，从而增加机体能量代谢，改善机体胰岛素敏感性。FNDC5是一种纤连蛋白，可促进白色脂肪组织中UCP-1的表达[24]。并且FNDC5可通过剪切和修饰形成Irisin，进而增加棕色脂肪的形成。

Brandt等[25]研究发现，IL6在运动条件下可调节脂肪组织中PPAR-γ的表达。Knudsen等[26]研究表明，在小鼠体内重复注射IL-6可显著增加UCP-1mRNA的表达量。说明在运动调控白色脂肪棕色化过程中，IL-6起着至关重要的作用。

BMPs在脂肪形成中发挥着重要作用。BMP4和BMP7可诱导PGC-1α和PRDM16表达，提高UCP-1的表达量，促进棕色脂肪细胞的形成，并且可提高线粒体的生物学活性[27]。Qian等[28]的研究表明，敲除小鼠体内的BMP4会导致白色脂肪组织增加及胰岛素敏感性下降。Whittle等[29]研究发现， BMP8b参与下丘脑AMPK活性的调节，给予BMP8b中枢治疗可增加交感神经BAT活性，BMP8b-/-小鼠产热受损，因而代谢率降低。

除此之外，三碘甲状腺原氨酸(T3)可以促进UCP-1的表达，Lahesmaa等[30]研究表明，甲状腺激素和肾上腺激素通路相关，甲状腺功能亢进时可增强肾上腺素的作用，进而诱导棕色脂肪的形成。

2.3 miRNA

部分miRNA通过调节PRDM16和C/EBP-β来控制棕色脂肪细胞的分化。研究发现，在寒冷环境中，miR-133表达量会显著降低，而PRDM16表达量升高，棕色脂肪含量显著上升，说明miR-133可抑制PRDM16的表达，因而通过抑制miR-133和肌细胞增强因子2(myocyte Enhancer Factor 2，MEF2)的活性可促进白色脂肪向棕色脂肪的转化[31-32]。miR-155则是通过抑制C/EBP-β和PGC-1α的表达，进而抑制棕色脂肪细胞的形成。此外，miR-139b-365也是棕色脂肪细胞形成的关键调节因子，其可促进PRDM16的表达，诱导棕色脂肪细胞的形成[33]。

3 调控白色脂肪棕色化的信号通路

3.1 β肾上腺素信号通路

β3肾上腺素受体(β3-adrenoceptor，β3-AR)主要分布于脂肪组织中，促进WAT分解，调节机体脂肪稳态。Brondani等[34]研究发现，敲除β3-AR的小鼠在寒冷条件下UCP-1的表达量明显下降，说明β3肾上腺素信号通路可以诱导UCP-1的表达，调控棕色脂肪细胞的分化，促进白色脂肪棕色化。Ahmadian等[35]证实，β3受体激动剂能增加细胞内cAMP的含量，促进甘油三酯的水解，而缺乏甘油三酯水解酶将会导致棕色脂肪组织中出现白色脂肪。叉头框基因C2(forkhead box C2，FOXC2)是叉头转录超因子家族中的一员，在脂肪组织中表达量丰富。过FOXC2基因可以上调β3-AR的活性，增加细胞内cAMP的表达，从而诱导UCP-1和PGC-1α的表达量增加[36]，说明FOXC2可以诱导白色脂肪棕色化。环氧合酶-2(cyclooxygenase-2，COX2)位于WAT中β肾上腺素能信号通路下游，Vegiopoulos等[37]证实，在寒冷条件下，抑制小鼠体内COX2的活性，白色脂肪组织中的UCP-1表达减少。进一步研究表明，WAT中COX2的过表达可诱导白色脂肪向棕色脂肪的转化，增加机体能量消耗，调节机体代谢平衡。

3.2 ERK通路及p38/MAPK-ATF2-PGC-1α通路

重组蛋白Irisin能通过p38 丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase，p38/MAPK)和胞外信号相关激酶(ERK)通路促进WAT中棕色脂肪特异性标志基因的表达，如可上调UCP-1的表达量。Zhang等[22]通过研究发现，这种作用可能是由于Irisin诱导了p38/MAPK和ERK信号通路磷酸化。通过SB203580(Alexis biochemical,Switzerland)抑制p38/MAPK通路，并通过神经元特异性磷酸烯醇化酶(U0126)抑制EPK通路后，通过Irisin介导的UCP-1的上调反应会终止[38]。因此，p38和ERK通路在棕色脂肪组织的形成中扮演着重要的角色。另外，过表达BMP4能诱导白色脂肪棕色化也与p38/MAPK-ATF2-PGC-1α通路有关[28]。

3.3 AMPK信号通路

腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)通过αKG的作用诱导棕色脂肪的形成，Yang等[39]研究发现，抑制AMPKα1(PRKAA1)的活性会降低PRDM16的表达进而抑制BAT的形成。Shan等[40]通过研究表明，肌肉生长抑素(myostatin，MSTN)敲除小鼠发生了白色脂肪棕色化，棕色脂肪标志性基因UCP-1和PGC-1α的表达量显著增加，且其发生棕色化不是由细胞自主控制的，而是由肌肉生长抑素缺失的骨骼肌分泌的FNDC5所驱动，在该肌肉中，MSTN-/-导致AMPK表达量增加，并且显著磷酸化，随后激活PGC-1α和FNDC5，进而促进MSTN-/-小鼠的白色脂肪棕色化。

4 小 结

棕色脂肪可以通过产热来消耗机体过剩的能量，增强胰岛素耐受性，并且在维持机体新陈代谢方面也发挥着重要作用。在畜牧业上，有望通过增加动物体内棕色脂肪的含量进而预防动物代谢性疾病的发生，为提高幼畜成活率提供理论依据。对于人类来说，肥胖已成为21世纪以来最大的健康问题，它会诱发多种代谢性疾病，给人类带来了极大的困扰，但研究表明成人体内棕色脂肪细胞含量相对较低，限制了机体对于部分疾病的抵抗力，因此，增加棕色脂肪细胞的分化，促进白色脂肪棕色化，阐明其转化机制可为肥胖及其代谢并发症的治疗打开新思路。