棕色脂肪细胞因子的研究进展*

闫佳慧，韩 亮，陈 广

（华中科技大学同济医学院附属同济医院 1中西医临床专业2015级，2中西医结合研究所，3中西医结合科，湖北武汉430030）

人体内存在着白色脂肪组织（white adipose tissue，WAT）、棕色脂肪组织（brown adipose tissue，BAT）和米色脂肪组织。WAT具有储能的作用，过量积聚可导致肥胖；棕色和米色脂肪为产热脂肪，具有潜在的抗肥胖作用[1]。BAT能够通过利用葡萄糖和脂类产热，减少它们在循环中的过度沉积，起到预防肥胖性疾病和代谢异常的作用[2]。BAT的产热过程受交感神经支配，且与解偶联蛋白1（uncoupling protein-1，UCP-1）的表达有关。UCP-1位于线粒体内膜中，是棕色脂肪细胞的标志性蛋白，它可以使H+从线粒体内膜渗漏到线粒体基质中，阻止二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）磷酸化形成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），将能量以热能的形式散失[3]。除产热外，BAT还能以多种形式释放不同的细胞因子（即棕色脂肪细胞因子，brown adipocytokines，batokines），调节机体的多种代谢过程。其中，BAT来源的自分泌因子和旁分泌因子主要与BAT的自身分化和产热激活过程有关，如神经生长因子、成纤维细胞生长因子2等[4]；而BAT来源的内分泌因子，可能与BAT的抗肥胖作用有关。因此，明确BAT来源的内分泌因子，对寻找预防及治疗肥胖性疾病的潜在靶点具有重要意义。现根据此方面的研究进展，对BAT及BAT来源的内分泌细胞因子的分类和作用，作以下综述。

1 BAT的功能及作用途径

1.1 BAT具有促进代谢稳态、对抗肥胖的作用 将BAT移植到小鼠体内，可以使小鼠的胰岛素敏感性和葡萄糖耐量增加，血糖水平正常化[5-6]，并且能够减小脂肪体积，降低体重[7-8]。将BAT移植到1型糖尿病小鼠体内，不仅可以改善糖代谢，还可以减轻组织炎症，逆转糖尿病的临床标志（如多尿、多饮、多食等）[5]。BAT移植还可以通过促进受试小鼠全身的交感神经系统活动，提高内脏WAT、肝脏、心脏、肩胛间BAT和腓肠肌的交感神经张力[9]，进而增加能量消耗，起到对抗肥胖的作用。此外，将BAT移植到多囊卵巢综合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）模型大鼠体内后，PCOS大鼠的葡萄糖稳态得到了改善，无排卵、雄激素过多和多囊卵巢现象出现了逆转，其生育力也有所提高[10]；由于PCOS患者常伴有肥胖和胰岛素抵抗现象，因此BAT提高生育能力的作用可能与其改善胰岛素敏感性、降低体重的作用有关。

1.2 BAT可通过产热和分泌细胞因子发挥作用在目前已有的研究中，所移植的BAT并没有直接诱发高水平的代谢和产热活动，据此推测BAT可能具有产热以外的作用。研究发现，靶向破坏小鼠的UCP-1基因使其失活，可以特异性阻断BAT的产热活动，但未使小鼠的体重增加[11]；而BAT的基因消融可以引起肥胖、糖尿病和高脂血症[12]。这一发现首次证明BAT能够通过产热之外的途径调节人体全身代谢过程。早在1985年，研究者们首次发现了棕色脂肪细胞能够通过分泌释放三碘甲腺原氨酸（3，5，3′-triiodothyronine，T3）激素，进而激活BAT产热的途径[13]。且在目前的移植研究中，BAT在发挥有益效应的同时，常伴随着某些调节因子如胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）、瘦素和脂联素[5]水平的升高。根据上述研究，BAT除了产热作用，还可能作为内分泌器官释放某些调节因子，来改善全身的能量和代谢稳态。

2 棕色脂肪细胞因子分类及其作用

2.1 神经调节蛋白4（neuregulin 4，Nrg4） Nrg4主要在BAT和米色脂肪组织中表达。通过基因芯片技术发现，BAT在分化的过程中诱导产生了大量Nrg4，且Nrg4在BAT中分布最多；当棕色脂肪细胞表面的去甲肾上腺素能受体被激活时，Nrg4的表达进一步增加[14-15]。骤然冷刺激和慢性冷适应分别使BAT中Nrg4蛋白与其mRNA水平增加[15]。转录组学研究发现，相比普通的WAT，来源于嗜铬细胞瘤病人体内的富有米色脂肪细胞的脂肪组织高度表达Nrg4[4]。

冷刺激虽可使BAT中表达的Nrg4增多，但Nrg4并不参与BAT的产热过程。研究发现，同一窝小鼠中的Nrg4缺失小鼠与野生型小鼠在寒冷暴露下均出现了体温过低现象，且此现象在两种小鼠间无明显差异，说明Nrg4虽然在BAT中表达丰富，但并不参与BAT的产热过程[2]。

Nrg4具有改善血糖稳态、增加胰岛素敏感性、减少肝脏脂肪合成和对抗肥胖的作用。一项关于Nrg4与妊娠期糖尿病（gestational diabetes mellitus，GMD）相关性的研究证明：与非GMD孕妇相比，GDM孕妇血清中Nrg4的水平较低；孕妇妊娠期间的血清Nrg4水平与血糖曲线下面积（area under blood sugar curve，GAUC）呈独立的负相关[16]。这说明Nrg4具有改善血糖稳态的作用。Wang等[15]通过动物实验发现：Nrg4只与肝脏特异性结合；且在高脂饮食条件下，Nrg4缺失小鼠的血脂水平增高，体重明显增加，胰岛素抵抗和肝脏脂肪变性程度加重，其肝脏内涉及脂肪从头生成的基因表达显著增多，而过度表达Nrg4的小鼠的情况则与之相反。肥胖小鼠的脂肪组织Nrg4表达水平降低，且人类WAT样本分析显示Nrg4的mRNA水平与体脂质量和肝脂含量呈负相关[15]，这提示Nrg4不足可能是肥胖的一个共同特征。Nrg4抑制肝脏脂肪生成的分子作用机制为：Nrg4结合并激活受体酪氨酸激酶ErbB3和ErbB4，导致肝细胞信号转导及转录激活因子5（signal transducer and activator of transcription 5，STAT5）磷酸化；后者通过激活肝X受体（liver X receptors，LXR）/固醇调节元件结合蛋白1c（sterol regulatory element-binding protein 1c，SREBP1c）通路，以细胞自主的方式减弱诱导脂肪新生的过程[15]。基于以上研究，推测Nrg4表达降低可能与非酒精性脂肪性肝病（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）的发病机制有关。BAT可能以2种方式对抗NAFLD：一是BAT分泌Nrg4以抑制肝脏从头合成脂质；二是活化的BAT凭借其清除营养性脂质的巨大能力，将脂质从肝脏转移出去。

Nrg4还可促进神经突的生长。由于Nrg4的受体ErbB3和ErbB4在人体内分布广泛，推测Nrg4可能会作用于除肝脏之外的其他组织，例如Nrg4可以刺激PC12细胞的神经突生长。这提示BAT来源的Nrg4可能也参与了支配BAT的交感神经的生长[14]。

2.2 成纤维细胞生长因子21（fibroblast growth factor 21，FGF21） FGF21主要由肝脏产生并释放入血；除肝脏以外，BAT、WAT和骨骼肌也可以表达FGF21[17]。在长期冷暴露条件下，大鼠肝脏内的FGF21表达水平明显下调。当产热活动被激活后，BAT可以产生FGF21并将其释放入血，使血浆中FGF21水平升高。如冷暴露可以显著诱导小鼠体内BAT中FGF21的表达，使BAT释放FGF21显著增加，并且可以使血浆中FGF21水平升高，此时BAT成为FGF21的主要来源之一[17]。与之类似，将人体内的幼稚BAT进行体外培养，得到的棕色脂肪细胞可以分泌FGF21；向人体内移植BAT可以提高机体内FGF21的水平，且对人体代谢产生了有益的效应（如促进代谢稳态、对抗肥胖等作用）[2]。上述研究说明血浆中FGF21的水平可以反映人BAT的活动，也证实了BAT能够调节血浆中FGF21的水平，并向其他组织和器官传递信号。

BAT来源的FGF21可能具有自分泌功能而作用于BAT自身。研究表明，BAT分泌FGF21的过程受去甲肾上腺素能的环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）途径介导的机制调控，这与诱导产热基因表达的细胞内途径相同[17]，提示BAT来源的FGF21可能具有促进BAT自身产热和氧化代谢的作用。

FGF21具有降糖及预防肥胖和糖尿病的作用。FGF21及其类似物具有迅速起效的降糖作用，其机制包括：（1）通过促进胰岛素生物合成、抑制β细胞凋亡和增加β细胞数量，从而改善胰岛β细胞功能和胰岛素敏感性；（2）通过改善胰岛素敏感性，促进脂肪细胞和骨骼肌摄取葡萄糖，从而改善糖代谢；（3）通过调控肝脏糖代谢相关的酶及信号通路，改善肝脏的胰岛素敏感性，抑制肝脏葡萄糖输出，从而改善糖代谢[18]。BAT分泌的FGF21可促进多种组织（胰腺、WAT、骨骼肌、肝脏及中枢神经系统）对葡萄糖的利用，进而预防肥胖和2型糖尿病[19-20]。如全身应用FGF21可纠正小鼠肥胖，改善人体代谢平衡[21-22]。在饮食诱导的肥胖大鼠模型中，FGF21可能作用于大脑来增加肝脏的胰岛素敏感性和代谢效率[20]。这证实了BAT来源的内分泌因子可能通过跨越血脑屏障到达中枢神经系统，刺激交感神经作用于脂肪组织，间接调控褐色脂肪的生成以及影响全身的能量代谢[23]。

此外，在UCP-1缺失小鼠中，BAT表达大量FGF21的同时，伴有血清FGF21水平的显著升高，但肝脏中FGF21基因表达未发生改变。已知当线粒体DNA突变或实验诱导线粒体功能改变时，骨骼肌细胞也可以表达和释放 FGF21[24，26]。因此推测，小鼠BAT中UCP-1基因缺失可能导致类似的线粒体功能障碍，继而引发FGF21表达和释放增强。这可能是诱导体内FGF21水平增高以治疗肥胖和代谢疾病的一个潜在的靶点。

2.3 血管生成素样蛋白8（angiopoietin-like protein 8，ANGPTL8） ANGPTL8是ANGPTL家族的一个新成员，也被称为利巴辛（lipasin）、肝及脂肪细胞再喂诱导因子（refeeding induced fat and liver，RIFL）或促代谢因子（betatrophin）。研究表明，小鼠的WAT、BAT和肝脏组织高度富集ANGPTL8的转录物[27]，且ANGPTL8在 BAT 中的表达高于 WAT[28]。人组织中ANGPTL8 mRNA的分布与脂质代谢的作用区域相一致，主要在肝脏和脂肪组织中[29]。此外，BAT中的ANGPTL8受温度调节，如在4℃条件下持续4 h，小鼠BAT中的ANGPTL8增加超过3倍。BAT中的ANGPTL8也受营养状况的调节，如高脂饮食饲喂3个月后，小鼠BAT中的ANGPTL8增加超过2倍，而禁食条件则可以显著抑制ANGPTL8的表达[27]。

ANGPTL8是进食后甘油三酯（triglyceride，TG）转运到脂肪组织的主要调节蛋白，其失活可使循环TG代谢紊乱，导致随着年龄增加，脂肪组织选择性减少[28]。ANGPTLs家族中的另外2个关系密切的成员ANGPTL3和ANGPTL4，在脂类、脂蛋白的运输和代谢中起关键作用；其中，ANGPTL3能够通过抑制脂蛋白脂肪酶（lipoprotein lipase，LPL）活性，提高血浆TG水平，通过抑制内皮脂肪酶提高高密度脂蛋白水平。而ANGPTL8与上述两者在脂类代谢方面有着密切的联系。

ANGPTL8与ANGPTL3具有协同作用。首先，ANGPTL8对ANGPTL3和ANGPTL4的某些结构具有保护作用。研究表明，ANGPTL3和ANGPTL4的N端结构域的半不变量间距和没有负荷的残基能够在ANGPTL8中得到保护；ANGPTL4的第40个氨基酸残基为谷氨酸，是脂肪酶抑制所必需的，该残基在ANGPTL8中得到保护[28]。由此推测ANGPTL8可能与ANGPTL3和ANGPTL4具有相同的作用。其次，ANGPTL8能够促进ANGPTL3的裂解并调控其活性。研究表明，ANGPTL8通过结合到标准长度ANGPTL3的N端结构域激活ANGPTL3，并促进它的裂解；裂解之后，ANGPTL8仍然结合到ANGPTL3的N端结构域，可能形成一个活性结合体，通过与ANGPTL3的相互作用在脂蛋白代谢中起重要作用[28]。最后，ANGPTL8与ANGPTL3的协同表达，能够显著增加血浆中TG的浓度。如野生型小鼠生理浓度表达的ANGPTL3没有改变TG水平，而ANGPTL8与ANGPTL3协同表达，血浆TG水平升高约10倍[30]，说明ANGPTL8与ANGPTL3共同作用于应答食物摄入，运送TG到组织中；但是ANGPTL8表达的ANGPTL3缺失小鼠的TG水平不增加，表明ANGPTL8不能独立于ANGPTL3而使TG水平升高，说明ANGPTL8不能直接作用于LPL，只能与ANGPTL3或其他家族成员协同作用，调节TG代谢。

在ANGPTL3缺失的小鼠中ANGPTL8的表达降低了血浆TG水平，说明ANGPTL8有独立于ANGPTL3的作用。首先，ANGPTL8缺失小鼠TG水平与野生型小鼠在禁食阶段的血浆TG水平相当，但是在进食过程中，TG水平降幅大于50%。野生型小鼠餐后脂肪组织的摄入极低密度脂蛋白（very-lowdensity lipoprotein，VLDL）-脂肪酸明显增加，而敲除小鼠这种增加受到破坏，说明ANGPTL8在禁食后补充脂肪组织TG贮存中起重要作用。其次，ANGPTL8可以抑制LPL的活性[31]。研究表明，ANGPTL8缺失的小鼠餐后血浆中VLDL合成受损和LPL活性增强，说明ANGPTL8通过增加肝脏VLDL的分泌和抑制氧化组织中LPL的活性，促进TG向脂肪组织转运；该小鼠循环中TG水平降低50%，但VLDL-TG摄入进心脏后受到保护，与心脏中高的LPL活性相一致[28]。ANGPTL8对LPL活性的抑制作用可能会与冷刺激诱导BAT产热时增加的LPL活性相互抵消[32]。最后，ANGPTL8在肝脏中高表达，促进了胰岛β细胞的增殖[33]，增加了胰岛素分泌，可能引起高甘油三酯血症，也可能在葡萄糖动态平衡中起作用[28]。鉴于高水平的BAT活动与改善体内葡萄糖稳态和胰岛素敏感性的关系，推测BAT可通过ANGPTL8分子与胰岛β细胞之间实现信号传递。

2.4 胰岛素样生长因子结合蛋白2（insulin-like growth factor binding protein 2，IGFBP2） IGF包括IGF1和IGF2，是一类与胰岛素前体有40%同源性的细胞增殖调控因子；而IGFBP是一个与IGF有高亲和力的蛋白家族，具有调节IGF的生物利用度、调控细胞增殖分化的作用[34]。IGFBP2可由外周的肝脏和脂肪组织以内分泌的方式释放入血，也可由骨髓部位的米色脂肪细胞以旁分泌的方式释放并作用于局部[35]。

IGFBP2可以刺激骨骼形成和更新，使骨骼增长，以调节骨组织稳态。研究表明，IGFBP2可以通过增强成骨细胞分化和破骨细胞形成，刺激骨骼重塑[33]。根据已知的IGFBP2的作用方式，推测外周BAT是通过IGFBP2分子，对骨组织进行内分泌合成代谢作用的；而骨髓部位的米色脂肪细胞，则是通过局部产生的IGFBP2，对骨骼的更新起促进作用。除了对骨细胞有直接的合成代谢作用外，米色脂肪分泌的细胞因子还可能使成骨细胞和骨细胞对胰岛素敏感，增强它们对IGFBP2合成代谢作用的反应[33]。

IGFBP2可以独立于IGF1调节脂肪细胞分化和胰岛素敏感性。在转基因小鼠中，过度表达IGFBP2可防止饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗现象的发生，并逆转糖尿病[33]。随着人体的衰老、肥胖和2型糖尿病的发生，血清中IGFBP2水平会有所降低[33]。

上述研究揭示了能量代谢过程和骨骼代谢过程具有相似的调节机制，尤其是胰岛素信号传导机制；因此，IGFBP2有望用于治疗能量代谢和骨骼代谢性疾病。

2.5 视黄醇结合蛋白4（retinol binding protein 4，RBP4） RBP4是血液中维生素的转运蛋白之一，主要由肝脏合成，其配体主要是全反式视黄醇，即维生素A。WAT可以释放RBP4并作用于肝脏等组织，促进胰岛素抵抗[36]。在去甲肾上腺素能刺激BAT产热的过程中，棕色脂肪细胞也释放了大量的RBP4[37]。

脂肪细胞中表达的RBP4能够刺激肝脏脂肪变性，但此功能并非RBP4在肝脏中的直接作用导致的，而与RBP4在脂肪细胞中的炎症效应有关。在一项研究中，与对照组小鼠相比，脂肪细胞特异性表达人RBP4（human RBP4 specifically in adipocytes，adihRBP4）转基因小鼠在标准饮食饲喂3至4个月后，其肝脏TG水平明显升高；当给予adi-hRBP4小鼠高脂饮食时，肝脏脂肪变性加重，肥胖和葡萄糖耐受不良现象也随之加重。研究结果表明，高循环水平的人RBP4能够激活脂肪组织内的抗原递呈细胞，导致脂肪组织发生炎症，进一步刺激脂肪细胞内脂解作用加强；而肝脏TG水平的升高，是肝脏吸收脂肪来源的循环游离脂肪酸（free fatty acid，FFA）增加所致[38]。在高脂饮食压力下，人类脂肪细胞特异性RBP4的表达更加广泛，如循环中视黄醇、红细胞生成素4及促炎脂肪因子瘦素的水平都得到了提高；这些变化促进了肝脏脂肪变性和其他代谢状况的恶化（如肥胖和葡萄糖耐受不良）[36]。尚无证据表明，肝脏TG水平升高是由肝内脂肪从头生成作用增强，或肝FFA氧化降低，或VLDL分泌减少导致的[36]。

2.6 白细胞介素6（interleukin-6，IL-6） IL-6又被称为B细胞刺激因子、肝细胞刺激因子或干扰素β2。IL-6是一种可溶性介质，主要由单核巨噬细胞、成纤维细胞、骨髓瘤细胞株等产生。IL-6也可作为一种肌肉因子，由骨骼肌收缩分泌后进入血液内循环，发挥其对脂肪代谢的调节作用[39]。高水平的儿茶酚胺能够通过β3-肾上腺素能受体刺激BAT，使其合成并分泌IL-6，且此过程中BAT产生的IL-6可显著促进全身的IL-6水平[40]。由于棕色脂肪细胞对细胞外的IL-6敏感，推测BAT产生的IL-6可能起旁分泌的作用[37]。

IL-6作为常见的促炎细胞因子，在炎症和免疫调节等方面发挥重要功能。如IL-6对B淋巴细胞的终末分化和肝脏中急性期蛋白的合成至关重要。除此之外，IL-6还可以参与机体的代谢调节。

机体正常水平的代谢需要IL-6的参与。在室温条件下可观察到，IL-6基因敲除小鼠的氧耗降低，呼吸交换比率增加，表明IL-6基因敲除小鼠全身氧耗和脂肪酸氧化能力降低，这支持了小鼠缺乏IL-6会出现代谢调节紊乱的说法[39]。

IL-6对寒冷条件诱导机体产热这一过程可能具有协助作用。在4℃条件下，与野生型小鼠相比，IL-6基因敲除小鼠的体温更低，且BAT内的UCP-1没有减少，说明在IL-6基因敲除小鼠中，寒冷刺激对WAT内UCP-1表达及产热作用具有较低的诱导效果[39]。

BAT来源的IL-6对BAT移植后的生物学效应（如改善葡萄糖稳态和胰岛素敏感性）起着关键的作用。如将正常的BAT移植到能够表达IL-6的受体内，机体的FGF21水平有一定程度的升高，机体的代谢情况得到改善；但将正常的BAT组织移植到IL-6缺失小鼠体内后，上述的有益效应有所削弱[41]。而将来源于IL-6缺失小鼠的BAT移植后，既不提高受试小鼠的代谢状况，也未提高FGF21水平[2]。这说明对于BAT的移植后有益效应来说，IL-6是必需的。但是，IL-6是通过其自身的直接作用还是通过诱导FGF21来调节全身效应的，目前尚不清楚。

抗炎免疫调节剂氨来占诺可以在皮下脂肪组织中诱导IL-6基因表达，并显著增加血浆IL-6浓度。此时，IL-6激活下游STAT3信号通路，以急性抑制肝葡萄糖异生基因表达和葡萄糖输出[42-43]。在癌症相关恶病质的背景下，IL-6信号的慢性激活可以促进WAT褐变并增加能量消耗[44]。据此推测，利用药物或其他条件诱导脂肪组织产生并分泌IL-6，进而有目的地调节人体能量代谢，有望成为治疗与肥胖相关的代谢性疾病的新方法。但因IL-6作为促炎因子参与炎症反应和其调节能量代谢的有益作用似乎矛盾，所以如何针对性地综合调控人机体内IL-6的水平使其发挥最大的有益作用，仍是一个待研究的问题。

2.7 其他因子 在对BAT中YY1转录因子的研究中发现，棕色脂肪细胞在体外还分泌了许多其他因子。例如，米色脂肪细胞分泌的Slit2分子，其循环水平的增加与空腹血糖、餐后血糖和糖基化血红蛋白呈负相关，而与胰岛β细胞功能指数（homeostasis model assessment-β，HOMA-β）呈明显的正相关关系，说明循环中的Slit2可能在调节糖稳态平衡和维护β细胞功能方面有特殊的作用[45]。此外，BAT来源的还包括生长/分化因子15、血管生成素样蛋白6、神经髓苷B、内脂素等，这些因子的作用与激素类似，和能量消耗有关。然而，还需更多的研究来确证这些来源于棕色脂肪细胞的内分泌因子的具体作用和机制。

3 小结与展望

综上所述，BAT抑制肥胖、高血糖和高脂血症的作用，不是仅通过BAT摄取葡萄糖和脂质这一途径，它通过旁分泌传递的棕色脂肪细胞因子也发挥了重要作用。目前，尽管现有的相关证据表明棕色脂肪细胞因子对代谢性疾病有多方面益处，但仍需更多的研究来准确识别BAT及米色脂肪细胞分泌的新型脂肪因子，并明确它们在代谢调节中的具体作用机制。鉴于现有的研究证据，棕色脂肪细胞因子有望成为临床治疗肥胖性疾病的新靶点。在预防和诊断肥胖性疾病方面，棕色脂肪细胞因子也有可能作为肥胖性疾病的监测和治疗效果的指标。