激活白色脂肪棕色化相关因子的研究进展

王爱超，吴华，莫晨玲

(1.青海大学 农牧学院，青海 西宁 810016；2. 青海省第四人民医院 呼吸科，青海 西宁 810000)

随着经济的快速发展和物质生活水平的提高，肥胖的患病率逐渐升高，成为一种流行病，引起高脂血症、高血压和动脉粥样硬化等各种代谢综合征[1]。人体内的脂肪组织主要分为两种类型：白色脂肪组织(white adipose tissue，WAT)和棕色脂肪组织(brown adipose tissue，BAT)。白色脂肪主要行使储存能量的功能，而棕色脂肪可以通过非颤栗性产热消耗能量，研究发现某些白色脂肪可以发挥棕色脂肪消耗能量的功能，这种棕色化的特殊白色脂肪被称为米色脂肪[2]。米色脂肪的发现为治疗多种肥胖及其相关代谢综合征提供新的思路。激活白色脂肪棕色化的过程除了受寒冷和运动等因素的影响，还受营养物质、转录因子和蛋白质的调节，本文就激活白色脂肪棕色化相关因子的进展进行综述。

1 营养物质

1.1 芝麻酚芝麻酚是一种脂溶性木脂素化合物，是芝麻油的重要香气成分。此外，它还是芝麻油重要的品质稳定剂，具有广泛的生物活性，如抗氧化和清除自由基。芝麻酚抑制白色脂肪生成基因过氧化物酶体增殖激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor -gamma，PPAR-γ)、乙酰辅酶A羧化酶 (acetyl-coenzyme A carboxylase，ACACA)、固醇调节元件结合蛋白1c(sterol regulatory element-binding proteins-1c，SREBP-1c)和脂肪酸合成酶基因(fatty acid synthase gene，FASN)的mRNA水平，并抑制BAT中脂滴数量与体质量的增加，BAT标志基因过氧化物酶体增殖物受体共激活因子-1α(peroxisomeproliferator-activated receptor-coactivator-1α，PGC-1α)、解偶联蛋白-1(uncoupling protein1，UCP-1)、成纤维细胞生长因子21(fibroblast growth factor-21，FGF-21)和细胞色素C氧化酶Ⅱ(cytochrome C oxidase Ⅱ，COXⅡ)等的表达水平升高，线粒体中的过氧化物酶体增殖剂激活受体α(peroxisome proliferator-activated receptor-α，PPAR-α)和肉碱棕榈酰转移酶1α(carnitine palmityl transferase 1α，CPT1α)等脂质代谢基因mRNA水平增加，白色脂肪棕色化发生在WAT中，脂肪消耗增加[3]。研究发现3T3-L1前脂肪细胞受MDI诱导分化的过程中，芝麻酚显著抑制了3T3-L1前脂肪细胞的的分化和细胞内脂滴的积累。

1.2 鞣花酸鞣花酸是一种重要的天然多酚，广泛存在于植物组织中，具有抗氧化、抗癌等多种药理作用。在维持细胞活力的条件下，鞣花酸抑制细胞周期蛋白A的蛋白质表达，从而抑制3T3-Ll前体脂肪细胞中脂肪的形成[4-5]。研究发现，鞣花酸通过抑制脂肪细胞分化关键基因PPARγ和转录因子CCAAT增强子结合蛋白α(CCAAT-enhancer binding proteinα，C/EBPα)的表达，抑制甘油三酯在脂肪细胞中聚集[5]。宁超[4]研究发现，鞣花酸可抑制高脂饮食诱导的大鼠脂质积聚，下调脂质合成相关蛋白中PPARγ、C/EBPβ和C/EBPα的表达，上调WAT中BAT标志蛋白UCP-1和PGC-1α的表达，抑制前体脂肪细胞向成熟脂肪细胞转化，促进白色脂肪棕色化。余煊等[6]研究发现，石榴鞣花酸可以促进脂质代谢，降低细胞内脂质水平，抑制脂蛋白脂酶(lipoprotein lipase，LPL)和葡萄糖-3-磷酸脱氢酶(glucose-3-phosphate dehydrogenase，GPDH)的活性，从而抑制脂肪细胞中脂肪的形成，并且上调PPARγ和脂肪酸结合蛋白(adipocyte fatty acid binding protein，aP2)，下调肥胖基因ob。刘润[7]研究发现，石榴鞣花酸对脂质代谢的影响主要是通过抑制SREBP-1c、FASN mRNA的基因表达，促进LPL mRNA的基因表达，实现降低脂肪的功能。

2 代谢产物

2.1 鸢尾素(irisin)30 kD大小的irisin是一种分泌膜蛋白，由1个亲脂性结构域、1个信号肽和2个纤维蛋白结构域组成，是由Ⅲ型纤连蛋白组件包含蛋白5(fibronectin type Ⅲ-domain containing protein 5，FNDC5)切除形成的小分子多肽[8-10]。研究表明，重组Irisin可促进大鼠原代脂肪细胞和成熟3T3-L1脂肪细胞向棕色脂肪细胞的转化，在人成熟脂肪细胞中发生相同的现象。Irisin促进PGC-1α水平升高，PGC-1α促进UCP-1的生成，三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)的合成水平升高，细胞中线粒体的数量增加，同时促进了血管的增生和转换肌纤维型等[9,11]。另有研究表明，irisin作用于WAT，WAT细胞膜表面可能存在irisin受体，通过影响胞外信号相关激酶ERK的信号通路，同时介导p38丝裂原活化蛋白的磷酸化，上调棕色脂肪相关基因细胞死亡诱导DNA断裂因子α类似效应A(spermatozoal cell death-inducing DNA fragmentation factor-α-like effector A，Cidea)、细胞色素c氧化酶亚型7α(Cytochrome c oxidase subtype 7α，Cox7α)及米色脂肪相关蛋白跨膜蛋白26(transmembrane protein 26，TMEM26)的表达，促进白色脂肪棕色化[9,12]。若用抑制剂阻断p38 MAPK和ERK信号通路，UCP-1的水平不升高。研究表明，irisin可以升高激素敏感性脂肪酶(hormone-sensitive lipase，HSL)的表达水平，同时降低脂滴包被蛋白(perilipin)的表达水平，证明irisin通过cAMP-PKA-HSL/perilipin 途径增强脂解作用[13]。

2.2 糖皮质激素(glucocorticords，GC)GC是调节机体代谢的重要因子，GC促进脂肪细胞的分化，增加甘油三酯的合成，抑制脂解，同时促进脂肪蓄积，导致机体代谢紊乱。研究发现，GC可使棕色脂肪细胞的特异性功能基因UCP-1水平显著下调，但当给予抑制剂RU486后，棕色功能基因如UCP-1的表达水平显著增加。通过体内和体外以及病毒感染活性GC的研究表明，棕色化功能蛋白UCP-1和PR结构域蛋白16 (PR domain containing 16，PRDM16)在小鼠白色脂肪细胞中的表达受到抑制，白色脂肪细胞的耗氧量也受到抑制。GC通过miR-27b的上游启动子区域的糖皮质激素反应元件(GRE)结合区调节miR-27b的表达，miR-27b可以通过PRDM16基因3’-UTR上的预测作用位点来抑制其靶基因PRDM16的表达，反过来又降低了白色脂肪的棕色化功能，这是GC抑制白色脂肪棕色化的可能分子机制。miR-27b通过作用于人的脂肪细胞中的靶基因PPARγ来抑制白色脂肪细胞的分化和成熟[14]。

2.3 神经调节蛋白4(neuregulin 4，NRG4)神经调节蛋白共有4种，属于细胞外配体的表皮生长因子家族，在调节细胞生长和肿瘤形成的过程中发挥重要作用[15-16]。NRG4主要在BAT中表达和分泌。NRG4被蛋白酶水解产生细胞外片段，细胞外片段不仅具有表皮生长因子样的结构域，还可以通过自分泌、旁分泌或内分泌等方式通过血液循环抵达靶细胞，从而对靶细胞发挥作用[17]。NRG4基因敲除小鼠实验表明，NRG4通过脂肪细胞分泌，直接作用于靶组织肝脏，NRG4抑制肝细胞脂合成代谢，在BAT中合成的NRG4在蛋白酶和胞外活性蛋白片段裂解的共同作用下，形成的胞外片段与肝细胞表面v-erb-b2禽红细胞白血病病毒致癌基因同源物4(v-erb-b2 avian erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 4，Erb B4)受体结合，肝X受体(liver X receptors，LXR)活性被抑制的同时，细胞内的转录激活因子5(signal transducers and activators of transcription 5，STAT5)被激活并磷酸化，SREBP-1c表达也明显降低，这些因子的变化使与脂肪酸合成密切相关的乙酰辅酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase、ACC)、固醇酰辅酶A脱氢酶1 (atearoyal-coenzyme A desaturase 1，SCD1)和FASN转录减少，肝细胞的脂质合成从源头上被抑制，但NRG4对脂质的输出、摄入和氧化等无明显影响[18-19]。NRG4通过限制脂肪肝的产生来控制能量平衡，不过目前还不能确定NRG4在BAT发生发展中的作用。NRG4在治疗脂肪肝产生和胰岛素抵抗等方面有重要作用，同时在白色脂肪棕色化方面有巨大潜力[17]。

2.4 MicroRNAs(miRNAs)微小RNA(miRNAs)是非编码内源性小分子，在进化上保守且长度为18～25个核苷酸，在生物体中无处不在，在生理和病理过程中起重要作用[20]。miRNA在调控基因表达、细胞发育、分化和凋亡中起重要作用，因为通常情况下，miRNAs可以对含有互补靶序列的信使RNA进行阻遏、翻译和降解。miRNAs通过在转录期间或之后与信使RNA的3’端非翻译区不精确的互补配对来调节mRNA表达或抑制翻译起始，miRNAs在脂肪的各种进程中都发挥着重要作用，包括脂肪细胞的增殖、分化和棕色化。目前已经证实与棕色脂肪及白色脂肪棕色化有关的miRNA主要有miR-193b-365、miR-196a和miR-133等[20]。MiR-129-5p是重要的肿瘤抑制因子，也在脂肪细胞中起作用，MiR-129-5p在小鼠脑、皮下WAT和BAT中表达较高。近期研究发现，miR-129-5p的过表达显著抑制Ras-GTP酶激活蛋白Src同源结构域3结合蛋白1(Ras-GTPase-activating protein SH3 domain binding protein，G3BP1)基因mRNA和蛋白质的表达水平，通过靶向G3BP1影响下游p38信号通路，在分子和细胞水平上显著抑制了3T3前体脂肪细胞的增殖，但不影响脂肪的分化过程，同时脂肪细胞棕色化过程在分子水平上受到抑制，冷刺激后BAT和皮下WAT中的miR-133表达下降，被miR-133负性调节的PRDM16抑制了前脂肪细胞分化为成熟的BAT，脂肪细胞中的线粒体活性降低[20]。

2.5 周期蛋白依赖性激酶6(cyclin-dependent kinase 6，CDK6)周期蛋白依赖性激酶家族有8种，在细胞繁殖分化过程中扮演重要的角色。其中CDK6在调节细胞周期的同时，也通过runt相关转录因子1(runt-related transcription factor 1，RUNX1)调控细胞的基因转录，从而影响脂肪和相关代谢疾病的发展[21]。与正常饮食相比，高脂肪饮食会使小鼠体内的CDK6蛋白水平升高[22]。CDK6激酶活性丧失的K34M小鼠对高脂肪饮食诱导的肥胖具有抗性，并且改善了胰岛素的敏感性和葡萄糖的耐受性，同时CDK6激酶的丧失增加了小鼠的能量消耗，促进了白色脂肪棕色化[21]。食物的摄入导致细胞周期蛋白D1和CDK6的表达，从而激活CDK6[23]。这引起典型的级联事件发生，Notch1和AKT1被激活，Notch1通过增强细胞周期蛋白D3来激活和上调CDK6，AKT1通过稳定细胞周期蛋白D2来激活CDK6[24]。CDK6和其他激酶如ERK和CDK1磷酸化RUNX1，促进RUNX1蛋白质降解，从而导致UCP-1和PGC-1α近端启动子附近RUNX1不能及时补充，最终导致特异性棕色脂肪蛋白表达水平的降低[25]。在新陈代谢疾病方面，相对于磷酸化PGC-1α和胰岛素底物受体2的周期蛋白依赖性激酶4(cyclin-dependent kinase 4，CDK4)，CDK6是一个更好的靶点，CDK4的缺乏会使胰β-细胞增长缓慢，导致胰岛素缺乏，发生糖尿病，CDK6对胰酶无明显影响，缺乏CDK6可以增加能量的消耗，并且改善葡萄糖耐受性和胰岛素敏感性[26]。CDK6激酶活性可能为代谢疾病的控制提供新的思路，并可能成为肥胖相关代谢疾病(如2型糖尿病)更好的治疗靶点。

3 脂肪因子：瘦素(Leptin)

Leptin由ob基因编码，是WAT分泌的脂肪因子，Leptin最主要的功能是抑制食欲。唐冬梅等[27]研究发现，限食的同时注射瘦素，可共同发挥增强脂肪分解代谢的作用，这种作用与抑制PPARγ蛋白的表达相关。瘦素抵抗的原因有很多，其中被广泛认可的原因有两个，一个原因是瘦素没有到达作用靶点，另一个原因是瘦素在细胞内的级联被抑制或者破坏。Leptin可以调节UCP1的表达，大鼠注射Leptin后可不同程度提高白色脂肪组织UCP1和UCP2的表达水平[28]。研究发现，在白色脂肪组织细胞培养液中，100 μg·L-1的Leptin使UCP2的mRNA水平上升63%，Leptin降低脂肪的作用可能是促进解耦联蛋白的表达[29]。

4 纳米颗粒的影响及纳米技术的应用

随着纳米材料在工业和日常生活中的广泛应用，人们暴露于纳米颗粒的可能性明显增加。空气中颗粒物的污染不仅危害呼吸道和肺功能，而且与代谢性疾病密切相关，细颗粒物PM2.5显著激发白色和棕色脂肪细胞的氧化应激，引起胰岛素抵抗等代谢紊乱性疾病[30-31]。研究表明，通过单次气管内滴注纳米SiO2对大鼠进行吸入染毒试验，在透射电子显微镜下观察，棕色脂肪细胞中脂滴边缘有黑色颗粒存在。纳米SiO2颗粒的暴露导致白色脂肪细胞毒性反应和炎症因子基因的表达增加，并显著抑制低温诱导的分泌性产热基因的表达。冷暴露下，脂肪细胞的炎症损伤更严重，表明纳米颗粒钝化棕色和白色脂肪的冷诱导重塑，对脂肪组织的产热与分泌功能有潜在影响[32]，这种现象的具体机制需要进一步的探索。研究发现，将促棕色化激素罗格列酮作为亲水性内核，外层包裹白色脂肪血管靶定肽iRGD(CRGDK/RGPD/EG)和P3(CKGGRAKDC)的疏水性外壳，制成纳米颗粒。用这种纳米颗粒处理小鼠后，小鼠出现白色脂肪棕色化，能量消耗增加，体质量减轻[33]。因为该靶向肽具有白色脂肪特异性，对其他组织无副作用，但罗格列酮有增加心肌梗死风险和心血管疾病死亡率的局限性，今后可以开发出效果更好的激动剂，纳米颗粒包裹后治疗肥胖等疾病[34]。

5 结语与展望

白色脂肪棕色化是一个复杂的过程，受多种营养物质和代谢产物调节，相关信号通路也受到影响。白色脂肪棕色化的过程受UCP-1、PPARγ和PGC-1α等调节因子的调控，理论上通过诱导和激活生成米色脂肪来增加产热基因PGC-1α等，可以治疗多种肥胖及其相关代谢综合征。根据相关原理，人类已经研制出治疗肥胖症的药物，这些药物通过诱导白色脂肪棕色化来增加机体能量消耗，促进机体能量代谢平衡。但这些药物在动物体内实验，尤其是啮齿类动物，在促进白色脂肪棕色化时还有其他作用，有待进一步验证，运用到人类身上更有一段距离。