棕色脂肪因子与代谢性疾病

王雪 朱惠娟 龚凤英

中国医学科学院，北京协和医学院，北京协和医院内分泌科，国家卫生健康委员会内分泌重点实验室，协和转化医学中心 100730

传统观念认为，机体的脂肪组织包括白色脂肪组织(WAT)和棕色脂肪组织(BAT)。自从1998年，Coleman等发现脂肪组织能分泌瘦素以来，WAT不再被认为仅仅是一个能量存储的器官，而是能分泌600多种生物活性物质(统称为脂肪细胞因子)的内分泌器官[1-2]。哺乳动物的BAT主要用于非颤栗性产热，通过促进糖和脂肪酸氧化，维持机体能量平衡。研究发现，在寒冷刺激下或者β3肾上腺素能受体激动剂处理后，小鼠WAT中会出现散在的棕色样脂肪细胞，具有产热和耗能的作用，将其命名为brite或者beige细胞，之后的研究发现，人体内beige细胞同样具有产热功能[3- 4]。因BAT分泌的瘦素、脂联素等白色脂肪因子很少，其分泌功能直到最近才被认识。由经典的棕色脂肪细胞和beige细胞分泌的脂肪细胞因子统称为棕色脂肪细胞因子(Brown adipokines，也称为“batokines”)，这些因子既可以作用于棕色脂肪细胞本身(自分泌作用)，又可以作用于邻近的其他细胞(旁分泌作用)，也可以分泌进入血液循环到达远距离的靶器官而发挥作用(内分泌作用)[5]。本文将对BAT的内分泌功能及其在代谢性疾病中的作用介绍如下。

1 BAT内分泌功能的发现

传统观念认为，BAT仅在婴幼儿体内发挥产热作用，而后通过PET-CT发现，成人锁骨上存在BAT，且具有改善代谢的作用。以往认为，BAT调节代谢的作用仅依赖于解耦联蛋白(UCP)1的解耦联产热作用。随着研究的深入，该观点逐渐被重新认识。通过遗传学基因介导的方法阻断小鼠BAT的发育，发现与野生型对照组小鼠相比，BAT发育被阻断的小鼠变得食欲旺盛、出现肥胖表型。如果BAT改善代谢的能力仅来源于UCP1介导的产热作用，那么，仅阻断UCP1后，小鼠应该出现类似的代谢表型。然而，Enerbäck等[6]发现，阻断UCP1的小鼠只表现为耗氧减少与产热减少，并未出现食欲旺盛和肥胖。可见与单纯UCP1缺失相比，BAT发育被阻断小鼠出现的代谢异常程度更为严重。这两个实验结果提示，BAT除了具有UCP1介导的产热耗能作用外，可能还具有其他影响代谢作用的方式或者途径[7]。

进一步动物实验研究表明，BAT还具有分泌多种肽类以及非肽类细胞因子的功能，这些因子既可以作用于棕色脂肪细胞本身，促进或抑制棕色脂肪细胞产热；也可作用于邻近的其他细胞，如血管上皮细胞及神经细胞，增加BAT中的神经和血管分布[8]。1985年，Silva等首次利用动态示踪的方法，发现寒冷状态下，BAT是血浆T3的主要来源。1987年，Fernandez等测定小鼠腹主动脉与Sulzer静脉中的T3浓度，通过计算腹主动脉与流出肩胛间BAT的静脉中T3的含量差值，进一步证实BAT分泌T3入血。自此，BAT的内分泌功能被揭示并逐渐受到关注。此后，数个BAT移植实验陆续证实了BAT通过分泌诸如成纤维细胞生长因子(FGF)21、神经调节蛋白(NRG)4、白细胞介素-6(IL-6)及胰岛素样生长因子-1(IGF-1)等诸多棕色脂肪因子，作用于远距离器官，从而改善机体代谢[5]。

2 具有内分泌功能的棕色脂肪因子

2.1 T3T3是首个被发现并证实具有内分泌功能的棕色脂肪因子。血浆中大部分T3来源于甲状腺外T4脱碘，该过程依赖于脱碘酶的存在。Ⅰ型脱碘酶存在于肝脏及肾脏中，受丙基硫氧嘧啶(PTU)抑制，Ⅱ型脱碘酶存在于BAT中，不受PTU的抑制。使用甲状腺切除的小鼠(排除甲状腺自身分泌的T3的影响)对BAT是否为血浆T3的主要来源进行动态示踪研究。结果发现，在室温状态下，经PTU处理的小鼠血浆T3含量低于对照组(未经PTU处理)，说明PTU通过抑制Ⅰ型脱碘酶进而抑制肝脏与肾脏中T3的分泌。将PTU处理后的小鼠置于4℃环境下，其血浆T3浓度是室温下对照组的3倍以上。说明寒冷环境下，BAT中的Ⅱ型脱碘酶被激活，将T4脱碘转化为T3，分泌入血。此外，Villarroya等[9]通过计算小鼠腹主动脉与流出肩胛间BAT的Sulzer静脉中T3含量的差值，进一步证实BAT具有分泌T3的内分泌功能。并发现无论在室温亦或寒冷状态下，Sulzer静脉中T3含量均显著高于腹主动脉中的T3含量，血液流经肩胛间BAT后T3含量显著升高，说明BAT能够分泌T3入血，当短期暴露于寒冷环境下，小鼠动、静脉中T3含量差值可以提高约3倍，BAT分泌的T3达到每日总T3的一半，进一步证实BAT具有分泌T3入血的作用，而且这一作用在寒冷刺激下更强。

2.2 FGF21 FGF21是一种脂肪代谢调节因子，具有促进细胞摄取葡萄糖以及促进胰岛素分泌的功能。常温下，肝脏是分泌FGF21的主要器官，但机体受到寒冷刺激后，肝脏FGF21表达下调，同时，血浆FGF21含量反而升高，提示在寒冷刺激下，存在肝脏以外的其他器官分泌大量FGF21。体外实验发现，去甲肾上腺素、cAMP及异丙肾上腺素可使已分化的棕色脂肪细胞中FGF21 mRNA水平升高，促进FGF21基因表达。进一步检测发现，细胞培养基中FGF21含量也显著升高，提示棕色脂肪细胞可以合成和分泌FGF21[10]。此外，Hondares等[10]通过计算寒冷环境下小鼠腹主动脉与肩胛间BAT静脉中的FGF21含量差值直接证明，BAT在寒冷刺激下可大量分泌FGF21。

移植实验也证实了BAT可以释放FGF21。高脂诱导的肥胖小鼠接受BAT移植后，血浆FGF21浓度升高，并且出现体重减轻、糖耐量改善和胰岛素敏感性增加的表型[11]。载脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠接受BAT移植后也出现相似的代谢表型。进一步应用β肾上腺素能受体阻滞剂后，小鼠血浆FGF21水平下降，上述代谢表型消失[12]。由此说明，移植后的BAT具有内分泌活性，可以分泌FGF21入血，发挥改善代谢的效应，而β肾上腺素能受体阻滞剂可阻断BAT的这一作用。

2.3 NRG4 NRG4是BAT中含量丰富的分泌蛋白之一。Wang等[13]研究发现，NRG4基因大量存在于BAT中，而在WAT、肝脏及骨骼肌中则含量极少。RT-qPCR实验表明，棕色脂肪细胞能表达大量NRG4 mRNA。寒冷和去甲肾上腺素刺激均可诱导BAT中NRG4基因表达，NRG4可促进神经元轴突生长，增加BAT中的交感神经分布，调节机体代谢。进一步研究发现，与高脂喂养的野生型小鼠相比，BAT特异性基因敲除(NRG4KO)小鼠脂肪量增加、糖耐量受损。说明BAT中的NRG4有预防肥胖发生、改善代谢的作用。类似地，Chen等[14]研究发现，敲除NRG4基因的小鼠在高脂喂养时出现高血糖症及高胰岛素血症，提示NRG4表达下降与胰岛素抵抗有关。

为了确定BAT分泌的NRG4作用于哪个器官，Wang等[13]利用碱性磷酸酶与NRG4的复合物(SEAP-NRG4Ex)进行组织化学染料标记结合实验，发现NRG4大量存在于肝脏中，但是几乎不存在于心脏、骨骼肌等器官；进一步改用谷胱甘肽标记与NRG4形成的复合物(GST-Nrg4Ex)进行定位观察，得到相似的结果，表明BAT分泌NRG4通过作用于肝脏，从而发挥改善代谢的作用。

2.4 IL-6 BAT分泌的IL-6除了具有旁分泌及自分泌的作用外，还具有内分泌功能[5]。Stanford等[11]进行BAT移植实验发现，移植BAT的受体小鼠血浆IL-6水平升高、葡萄糖耐量改善，且出现了体重减轻的表型。然而，移植WAT后的受体小鼠并未发生上述变化。提示移植后的BAT可通过分泌IL-6，从而改善受体小鼠的代谢水平。进一步将IL-6基因敲除小鼠BAT移植到野生型小鼠体内后，发现上述代谢益处消失。可见，BAT分泌的IL-6是受体小鼠体重减轻及糖代谢改善的主要原因。

2.5 IGF-1 IGF-1是一种在分子结构上与胰岛素类似的多肽蛋白质。移植实验表明，BAT可以通过分泌IGF-1以内分泌的方式调节血糖。将胎鼠的BAT移植到由注射链脲佐菌素导致的1型糖尿病小鼠皮下区域，受体小鼠IGF-1水平明显升高、胰高血糖素水平降低、糖耐量逐渐改善直至正常水平[15]。将胎鼠BAT移植到自身免疫性1型糖尿病(胰岛素绝对缺乏)小鼠皮下区域，发现受体小鼠循环IGF-1水平也显著升高、并持续高表达，胰高血糖素、血糖水平下降。提示血糖下降可能是循环IGF-1升高后发挥类似胰岛素作用的结果。深入研究发现，胰岛素受体抑制剂可阻断这一作用，说明BAT分泌的IGF-1可进入血液循环，并作用于外周胰岛素受体继而发挥类似胰岛素的作用[16]。

3 BAT与代谢性疾病的关系

3.1 BAT与肥胖 BAT是具有代谢活性的脂肪，增加BAT的含量及活性可改善糖、脂代谢，预防肥胖的发生[17]。Stanford等[11]通过动物实验观察到，将BAT移植到小鼠内脏腔8周后，与对照组小鼠相比，受体小鼠的糖耐量水平明显改善，继续观察发现，在移植后的第12周，受体小鼠胰岛素敏感性增加，且体重显著下降，说明移植BAT可以减轻体重，并改善糖代谢。进一步将不同重量的BAT移植到小鼠体内，发现移植BAT较多的受体小鼠，其胰岛素敏感性增加的幅度更大，提示BAT改善代谢的作用存在剂量依赖性。此外，在肥胖状态下，BAT的活性降低。通过氟代脱氧葡萄糖(18F-FDG)PET评估高脂饮食诱导肥胖小鼠的BAT活性发现，肥胖小鼠BAT的糖摄取能力下降、活性减弱，BAT中出现“白色化”现象[18]。人群研究也发现了类似的现象，在肥胖人群中，BAT对寒冷和胰岛素刺激的反应减弱[19]。由此推测，BAT与肥胖之间存在负相关关系，在肥胖状态下，BAT活性降低，而移植BAT，可以预防肥胖的发生。

3.2 BAT与心血管疾病 活性BAT可改善动脉粥样硬化。将野生型小鼠的BAT移植到ApoE-/-的动脉粥样硬化模型小鼠体内，发现小鼠动脉斑块面积缩小，但是两组小鼠血浆胆固醇水平差异并无统计学意义，提示BAT改善动脉粥样硬化斑块的作用可能不是依赖于血脂的减少[12]。为进一步探讨小鼠动脉斑块缩小的原因，Kikai等[12]观察了ApoE-/-受体小鼠BAT中FGF-21的表达情况，发现BAT中FGF-21的mRNA和蛋白质水平均显著升高，血清脂联素水平也显著升高，并与受体小鼠动脉粥样硬化的程度呈负相关。提示受体小鼠动脉斑块缩小的原因可能与FGF-21和脂联素水平升高有关。继续应用β3肾上腺素能受体阻滞剂后，上述移植BAT的抗动脉粥样硬化作用消失，FGF-21和脂联素水平也相应降低，表明β3肾上腺素能受体介导了BAT活化，活化的BAT通过分泌FGF-21和脂联素，进而发挥改善动脉粥样硬化的作用。

3.3 BAT与肝脂肪变性 BAT可以抑制肝脏中脂肪生成，进而减缓脂肪肝的发展。Liu等[20]将BAT移植到出现肝脂肪变性的ob/ob小鼠体内，发现小鼠肝脏脂肪变性得到了完全逆转，同时观察到小鼠血液中甘油三酯含量较对照组显著降低；测定脂肪酸代谢相关基因的表达后发现，在移植BAT后，特异性调节肝脏脂肪酸代谢的固醇调节元件结合蛋白1c(SREBP1c) mRNA显著下降。在此基础上，Wang等[13]证实，BAT通过分泌NRG4抑制SREBP1c的表达，影响肝脏脂肪合成信号通路，进而减少肝脏中脂肪合成。最新的研究发现，在限制卡路里摄入的基础上，辅以β3肾上腺素能受体激活剂激活BAT，能够改善小鼠肝脏脂肪变性、逆转肝细胞损伤，进而更好地治疗非酒精性脂肪性肝病[21]。

BAT内分泌功能的发现经历了数十年的时间。随着T3、FGF21、IL-6等具有内分泌功能的棕色脂肪因子的发现，对于BAT改善代谢性疾病的认识已经不局限于其经典的产热功能。BAT作为一个新的内分泌器官，其在调节糖、脂代谢和能量代谢方面发挥越来越重要的作用。然而，对于棕色脂肪因子的认识尚不全面，BAT分泌组学的研究还在继续，未来仍需继续关注新的棕色脂肪因子并明确其功能。由于BAT的产热功能及分泌功能能够共同抵抗肥胖等代谢性疾病的发生、发展，所以增加BAT的含量或增强其活性将成为治疗代谢性疾病的新思路之一，深入认识棕色脂肪因子可以为治疗肥胖的新药研发提供潜在靶点。