褐色脂肪组织发育规律及生热作用研究进展

张艳梅 金 海 李长青

(1.内蒙古农业大学动物科学学院，内蒙古自治区高校动物营养与饲料科学重点实验室，呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区农牧业科学院，呼和浩特 010031)

体温不恒定是新生幼畜围产期死亡的主要原因之一[1]。新生幼畜的存活高度依赖于褐色脂肪组织(brown adipose tissue，BAT)产热，以维持核心体温去抵御外界寒冷环境[2]。脂肪组织的生长是胎儿发育阶段中最重要的过程之一，除白色脂肪组织(white adipose tissue，WAT)外，几乎所有的胎盘哺乳动物都具有BAT，其物理和形态特征都与WAT截然不同。WAT的功能主要是以甘油三酯的形式储存能量，而BAT主要通过特有的解偶联蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)消耗能量物质为机体提供热量，BAT在冬眠动物体内的含量较为丰富，啮齿类动物体内也含有较多的BAT。母羊妊娠期70～125 d是其胎儿BAT增殖发育阶段，大部分聚集在肾周区域，并在出生第1天时达到最高含量，然后随着年龄的增加逐渐减少[3]。

目前，已有较多研究通过调控母体营养水平来干预后代羔羊的BAT含量，以改善其生热作用，提高抗寒能力，降低死亡率及发病率，其中研究较为广泛的是精氨酸的使用[4]。除生热作用外，研究较多的为BAT的潜在抗肥胖功能，褐色脂肪细胞和米色脂肪细胞基于代谢高度活跃，并具有消耗能量的功能，因此，诱导其增殖发育已被广泛认为是人类对抗肥胖及代谢性疾病的潜在治疗手段[5]。此外，李唐等[6]研究指出，BAT代谢还对动物的生长发育产生影响，可通过调控影响BAT含量的关键因素来调节畜禽肌肉及脂肪的分化与比例，以提高其肉品质及营养价值。因此，探究家畜BAT功能特性及调控手段，对改善其生长发育，优化育种，提高肉品质和营养价值，开发出更经济、更健康和更适用于受肥胖或减肥等困扰人群的功能性食品具有重要的意义。因此，本文从研究较为广泛的啮齿类动物及绵羊等着手，对其体内BAT发育规律、米色脂肪组织及生热作用机制和应用等进行综述，以期为后续相关研究领域提供理论依据。

1 BAT的个体发育及分布

白色脂肪细胞内含唯一的、较大的脂滴，几乎不表达UCP1，线粒体含量少且活性较低；而褐色脂肪细胞内含有多个较小的脂滴，线粒体含量多且活性高，高度表达UCP1(32 ku)，主要通过产热来维持机体体温恒定，UCP1的含量决定了BAT产热能力[7]。褐色脂肪细胞谱系与白色脂肪细胞不同，而是源自与骨骼肌相同的前体(myf5+细胞)[8]。Alexander等[9]研究指出，羔羊褐色脂肪细胞线粒体功能特性与骨骼肌线粒体相似，但与白色脂肪细胞线粒体存在差异。

大型哺乳动物BAT大部分集中在中心器官周围或颈部区域[10]。在出生第1天，羔羊肾周-腹部区域BAT至少占体内脂肪的60%左右，每克BAT产生的热量比其他组织高出150～300倍[11]。绵羊BAT在胎儿时期具有2个不同的发育阶段：早期增殖阶段(妊娠期70～125 d)和后期准备阶段(妊娠期147 d左右，为出生做准备)，并在后期准备阶段时高度表达大量生热标记物，如UCP1等[12]。而在胎儿生长发育初期，脂肪组织具有密集的细胞结构，但并无UCP1的表达[13]。Velickovic等[14]研究指出，人体BAT发育过程更类似于绵羊，在妊娠140 d时，人体脂肪组织中也出现表达UCP1的细胞。Taga等[15]研究指出，在妊娠期110 d时，绵羊胎儿脂肪组织内就存在UCP1。但在牛胎儿脂肪组织中，即使到妊娠期260 d也检测不到UCP1的表达[16]。从上述研究可推测，羔羊与犊牛BAT含量的差异可能主要是由于犊牛的表面积与体积之比远小于羔羊，因此犊牛在出生时单位体重散失的热量较羔羊少很多，羊羔为了维持体温，就必须多产热，因此所含的BAT含量相对较多。对于牛、绵羊和山羊等早熟动物，其BAT含量在出生第1天时达到最高，并在出生后第1～28天时大部分的褐色脂肪细胞逐渐丧失功能，UCP1含量逐渐减少[17]，同时伴随BAT向WAT的转化，但不会完全消失，其机制与啮齿类动物存在巨大差异[18]，并且转化程度及速率也因不同部位而异[19]。以前的研究认为，BAT不存在于成年动物体内，但是Cypess等[20]的研究指出，成年啮齿类动物及人体内也存在BAT，并且对调节机体能量代谢发挥着重要的作用。人体锁骨(或颈部)脂肪中UCP1的表达一直保持到成年，但是肾上腺周围脂肪组织内则不会保留[21]。因此，成年人锁骨部位脂肪对寒冷[22]和摄食[23]均有显著的生热反应。Symonds等[24]研究指出，羔羊胸骨及腹膜后脂肪组织中UCP1 mRNA的表达量较为丰富，在大网膜脂肪中的表达量较低。Henry等[25]研究指出，成年绵羊胸骨及腹膜后脂肪中也均有UCP1 mRNA的表达，且胸骨脂肪中的表达量较高。由此可知，成年绵羊体内也存在BAT。Asano等[26]研究指出，成年牛体内也能检测到BAT。但对于山羊，仅有1项研究提出1月龄羊羔体内含有BAT[27]。啮齿类动物肩胛间区域存在大量的BAT[28]，但绵羊等大型哺乳动物体内的BAT含量本就较少，且不具有肩胛间区域的BAT，其中有些褐色脂肪细胞散布在WAT上[29]。

2 BAT的生热作用

机体能量代谢主要由基础代谢率、身体活动及生热作用组成。当哺乳动物处于热中性温度时，所产生的热量主要通过基础代谢，并且机体60%～70%代谢性产热发生在心脏、肝脏、肾脏及大脑[15]。在反刍动物中，由瘤胃微生物发酵产生的热量占总热量的8%左右[30]。生热作用是一个主要通过脂肪组织进行的生理过程，当外界环境温度变化时，是维持体温的必要条件[31]。在寒冷环境下，散热量显著增加，机体需增加产热来维持体温的相对恒定，包括2种产热方式，即颤抖性产热(shivering thermogenesis)和非颤抖性产热(non-shivering thermogenesis，NST，也叫适应性生热作用)。哺乳动物在寒冷环境下首先通过骨骼肌的不随意节律性收缩(9～11次/min)，也就是颤抖来为机体提供热量[32]，但也不可能会一直保持不断颤抖的状态，因此长期暴露于寒冷环境时动物会停止颤抖，动用NST(与肌肉收缩无关，通过脂肪组织)来为机体提供热量，同时使代谢率保持在较高的水平。

2.1 BAT生热作用机制

NST能使动物在非常短的时间内产生大量的热量。Puigserver等[33]研究指出，BAT是NST产热的主要作用位点及能量储备物，由支配脂肪组织的交感神经系统控制。羔羊刚出生时，其体内BAT含量达到最高，NST占总生热作用的50%左右，但随着出生后肌肉组织通过颤抖拥有的产热能力，BAT含量急剧减少，NST显著降低，但也不会全部消失[3]。在寒冷刺激下，由交感神经末梢释放的去甲肾上腺素与Gs-蛋白偶联的β3-肾上腺素能受体结合，增加细胞内环磷酸腺苷(cyclic AMP，cAMP)，激活蛋白激酶A(protein kinase A)，上调脂类分解及生热基因的表达，通过激活褐色脂肪前体细胞的增殖和分化来刺激BAT的扩张[34]，并促进褐色脂肪细胞内甘油三酯等脂类的分解，反过来，由此过程产生的脂肪酸也可直接作为UCP1的激活物和褐色脂肪细胞呼吸作用的能量[35]。BAT被激活后，存在于BAT线粒体内膜上的UCP1通过线粒体呼吸解偶联作用，介导氢离子(H+)内流，使跨膜质子电化学梯度消失，二磷酸腺苷(ADP)无法进行磷酸化生成ATP，从而将葡萄糖、脂肪等分解产生的能量直接转化为热量[36]，自由能以热形式释放，形成BAT产热和能量代谢过程[37]。由于新生动物不能发生颤抖，因此NST对于幼畜体温的维持至关重要。寒冷或β-肾上腺素是最有效的BAT激活物，而BAT未被激活时，UCP1活性被胞内嘌呤核苷酸抑制[38]。

除胞内脂肪酸外，褐色脂肪细胞还可利用胞外葡萄糖和脂类物质进行生热作用[39]。Winther等[40]研究指出，在寒冷或β-肾上腺素刺激下，BAT内涉及葡萄糖吸收与分解代谢的酶和蛋白质，如葡萄糖转运体和己糖激酶活性显著增加。Nguyen等[41]研究指出，在所有组织中，BAT是摄糖量最高的组织。Schreiber等[42]研究指出，由三羧酸循环过程中产生的脂肪酸也可被用于生热作用，尤其在禁食条件下。BAT对羔羊[43]、儿童[44]和成年人的食物诱导产热(post-prandial thermogenesis)也可产生影响，但对啮齿类动物的作用仍存在争议。

2.2 骨骼肌与米色脂肪组织的生热作用

机体生热作用不仅发生在褐色脂肪细胞，在米色脂肪细胞和骨骼肌也可发生此类反应，且其调节机制也均不相同。米色脂肪细胞来源于多潜能平滑肌细胞系分化的前体脂肪细胞[45]，是在啮齿类动物和人体中发现的新型产热细胞[46]。在寒冷或交感神经系统/β-肾上腺素能受体激动剂诱导(β-adrenergic receptor agonist，β-AR agonism)下，米色脂肪细胞在WAT内出现(这种现象也可称为WAT的“褐色化”或“米色化”)，具有褐色脂肪细胞的特征，但与褐色脂肪细胞却有不同的遗传指纹，与白色脂肪细胞也截然不同，线粒体活性介于白色和褐色脂肪细胞中间(brown-in-white)，含有1个以上的脂滴，其细胞群被白色脂肪细胞包围，拥有独特的分子特征[47]。褐色脂肪细胞高度表达产热基因如UCP1，而米色脂肪细胞只在寒冷或β-AR agonism诱导下才会表达这些基因，且UCP1含量只有BAT的10%[48]。近年来，大量的研究均利用UCP1蛋白或mRNA的表达量作为米色脂肪细胞的标记物，但是除了UCP1，还有多种途径均有助于米色脂肪细胞的产热，如内质网钙离子循环和耗能性肌酸无效循环(futile creatine cycling)等[49]。然而，米色脂肪细胞在绵羊、猪等大型哺乳动物体内的产热作用及对能量消耗的影响报道较少，需进一步研究。

当UCP1缺失和/或非颤抖性产热受到影响时，骨骼肌通过颤抖来产生热量，由碳水化合物和脂类提供能量[50]。骨骼肌的生热作用依赖于UCP1的同源物解偶联蛋白3(UCP3)。Gong等[51]研究指出，肌原细胞表达的UCP3具有解偶从酵母细胞分离的线粒体氧化磷酸化的作用。除线粒体解偶联，骨骼肌也可通过耗能性钙无效循环(futile calcium cycling)产生热量[52]。Bal等[53]研究指出，对啮齿类动物摘除BAT(手术切除)或UCP1(基因敲除)时，肌脂蛋白会通过增加骨骼肌生热作用来适应寒冷环境，而肌脂蛋白在大型哺乳动物中的产热作用还未被探索，需要更深入的研究。在人体BAT中，寒冷暴露能增加其BAT活性，同时提高UCP1含量，但在骨骼肌中，寒冷暴露对UCP3的表达没有影响[54]，然而骨骼肌对葡萄糖的摄入和利用却显著高于BAT。鉴于哺乳动物骨骼肌约占体重的40%，因此可以认为，骨骼肌生热作用的微小变化可能对机体产热能力及能量消耗产生较大影响。绵羊采食饲草后其骨骼肌和脂肪组织的生热作用均会增强，即食物诱导产热增加。Clarke等[55]研究指出，成年羊采食后骨骼肌生热作用的增强与其UCP3表达量及耗能性钙无效循环标记物蛋白和/或基因表达的增加相关。Henry等[56]研究指出，对成年羊注射瘦素蛋白可提高其骨骼肌及腹膜后脂肪生热作用，UCP3表达量也增加。因此可以看出，尽管成年绵羊体内UCP1含量相对较低，但骨骼肌及特定脂肪组织仍具有一定产热能力。

3 BAT的研究与应用

新生幼羔BAT产生的热量占总体热的50%左右，因此有较多研究通过对妊娠母羊进行某些干预来调控其后代羔羊体内BAT含量，以提高羔羊存活率，尤其在寒冷的冬季。Satterfield等[57]研究指出，对妊娠后期无限饲和50%限饲母羊每日注射精氨酸3次，持续25 d时，其后代羔羊肾周区域BAT的含量分别提高了48%和60%，可能是由于精氨酸在胎儿生长发育过程中诱导了褐色脂肪前体细胞的增殖或分化，但具体机制仍不明确。妊娠期母体营养调控也可对其胎儿UCP1的含量产生影响。Bispham等[58]研究指出，从妊娠中期开始增加母羊采食量时不仅能提高其后代羔羊BAT数量，还能增加UCP1蛋白丰度。Ojha等[59]研究指出，对妊娠后期母羊进行限饲时会显著减低其胎儿体内脂肪中UCP1蛋白丰度，降低生热作用稳态，但是，饲喂高能量饲粮时并不会对脂肪组织或骨骼肌的生热作用稳态产生任何影响[25]。杨欢[60]研究指出，妊娠后期宫内生长限制能抑制蒙古绵羊胎儿肾周BAT转录因子及脂肪因子的表达，UCP1表达量显著降低，肾周BAT发育受阻。但是，目前关于绵羊母体营养调控对其UCP1蛋白的作用机制尚不清楚。

基于BAT通过消耗机体内葡萄糖和脂肪酸等能量物质来产热，因此诱导BAT活性或数量的增加被认为是治疗或预防肥胖和代谢疾病的有效方法，目前在啮齿类动物上已经进行了较多的相关研究。Feldmann等[61]研究指出，小鼠UCP1的缺失能导致其肥胖，而激活BAT，增加UCP1含量时能显著提高其胰岛素敏感性，表现出抗肥胖功能。BAT活性及其有益作用在人体中也具有同样的意义。Carpentier等[35]研究指出，暴露寒冷环境时人体内BAT活性增加，并与肥胖呈负相关。因此，应更深入地了解与研究BAT代谢调节和生热过程，以期为肥胖和相关代谢疾病提供治疗靶点。米色脂肪组织作为一种新型产热组织，其研究热度在近年来也是有增不减。除寒冷条件外，Kang等[62]研究提出，黄酮类化合物也能促进机体BAT发育和米色脂肪组织形成，可通过有效调节NST来增加能量消耗，以达到抗肥胖目的。因此可以认为，调节幼羔WAT的褐色化(米色脂肪组织的形成)能提高其产热能力。Zhang等[63]研究指出，饲粮中添加沙棘果渣能促进舍饲幼羔腹股沟WAT的褐色化，增加线粒体数量，显著增加其产热能力。Wu等[64]研究指出，当米色脂肪细胞被充分激活时，可在功能上模仿褐色脂肪细胞的代谢反应。因此，除生热作用外，WAT中米色脂肪细胞的诱导生成被认为具有改善机体胰岛素抵抗的作用。目前，大多数关于米色脂肪组织的研究都局限于成年啮齿类动物，并且几乎均提出其WAT具有褐色化能力[65]。Aldiss等[66]研究指出，WAT褐色化是机体通过降低胰岛素抵抗来实现，被认为是治疗代谢性疾病的重要手段。由此可知，诱导WAT的褐色化能导致其从储存能量的组织转变为消耗自身能量的组织。然而，这种变化最终是否会显著影响肥胖并介导机体整体代谢稳态，仍存在争议[67]，有待进一步研究。

4 小 结

BAT对新生幼畜体温的恒定至关重要，其在出生第1天时达到最高含量，并随着肌肉组织通过颤抖获得的产热能力而急剧减少，但也不会完全消失。寒冷是诱导BAT中UCP1激活的有效生理刺激，然而，持续的寒冷刺激还能诱导WAT内产生米色脂肪细胞。BAT及米色脂肪组织不仅仅是一个产热组织，还具有调控机体整体能量代谢稳态的作用，二者被认为是提高幼畜存活率及治疗人体肥胖和代谢疾病的潜在手段。除BAT及米色脂肪组织外，骨骼肌也对动物产热和能量消耗有不同的影响。

未来可对家畜的产热组织进行全面研究，尤其是对其WAT的褐色化能力，也就是对米色脂肪组织的功能特性，以确定并开发出其潜在的多种功能，达到改善其抗寒能力、优化育种、提高生产性能、增加经济效益等目的。同时，进一步研究通过饲料营养调控来干预家畜BAT及米色脂肪组织的水平，比如黄酮类化合物等绿色饲料添加剂的使用，以改善家畜的能量代谢水平，调节脂肪与肌肉的比例和分化，提高畜禽肉品质。