PRDM16与肥胖关系的研究进展

2022-02-16张睿综述黄启亚审校

海南医学 2022年23期

张睿综述黄启亚审校

广州医科大学附属第六医院(清远市人民医院)内分泌科，广东清远 511500

近年来，肥胖的患病率呈快速上升趋势，已经成为全球性公共卫生问题。2016年，在全球范围内，18岁及以上的成年人中39%的男性和40%的女性达到超重水平，总人数达近20亿；11%的男性和15%的女性达到肥胖水平，总人数超过5亿，超重和肥胖人数在过去40年里呈现出明显的上升[1]。因此，如何有效控制并逆转肥胖成为了研究热点。近年有研究发现PR结构域蛋白16(PRDI-BF1 and RIZ homology domain containing protein，PRDM16)具有激活棕色脂肪组织特异性的生热程序，提高其线粒体密度，促进解偶联蛋白-1(uncoupling protein-1，UCP-1)的表达，增加能量消耗的作用；而肥胖患者PRDM16基因表达明显下降，提示其与肥胖的关系密切。本文以PRDM16为切入点，分析PRDM16的功能、回顾PRDM16与肥胖关系的新进展，以期为肥胖症及相关代谢性疾病的治疗提供新思路。

1 脂肪组织的分类、分布及功能

哺乳动物体内的脂肪组织分三类：白色脂肪组织(white adipose tissue，WAT)、棕色脂肪组织(brown adipose tissue，BAT)和米色脂肪组织。人体脂肪组织以WAT为主且占大部分，其中15%分布于腹腔内。在腹腔内，主要分布于胃、肠、肝和肾等脏器之间，内脏、肠系膜和腹膜后均有大量WAT储存；另外85%的WAT主要分布于皮下组织，尤以臀部、大腿和下腹部分布较多[2]。BAT在人体内较少[3]，其主要分为胸内区、内脏区和皮下区。在胸内区，BAT位于主动脉、颈总动脉、心静脉和头臂动脉等血管周围，以及心脏、气管、肺和食管等中空组织；在内脏区，BAT围绕结肠等中空组织，以及胰腺、肾脏、肾上腺、肝脏和脾脏等实体器官；在皮下区，BAT位于颈内肌、锁骨区、前腹壁和腹股沟区之间[4-8]。而米色脂肪细胞则来源于WAT中的各种前体细胞，呈簇状分布在WAT所在的区域内[9]。

WAT以甘油三酯的形式储存能量，而BAT和米色脂肪组织以产热功能为主。WAT细胞脂滴大，具有以下功能：当机体能量不足时以甘油三酯的形式释放脂肪酸，通过脂肪酸氧化提供能量；分泌瘦素、肿瘤坏死因子α等参与2型糖尿病等疾病的发生发展过程；保护脏器及保温功能[10]。经典BAT细胞有多个小脂滴，主要功能是非颤抖性产热，UCP-1是其标志物，产热时消耗大量脂肪和葡萄糖，通过UCP-1氧化磷酸化解偶联作用将能量以热量形式释放而不形成ATP。米色脂肪细胞形态、功能等介于WAT和经典BAT之间，其可能来源于白色脂肪组织中的前棕色脂肪细胞[11]、前白色脂肪细胞[12]、已存在的白色脂肪细胞[13]和骨骼肌前体细胞[14]；米色脂肪细胞在寒冷、药物等刺激下可转变为棕色脂肪细胞，但米色脂肪细胞不表达与经典BAT相关的转录因子(如PRDM16)[2]。

2 PRDM16与肥胖的关系

如前所述，BAT能通过UCP-1的氧化磷酸化解偶联作用来发挥其独特的产热功能，而PRDM蛋白家族中的PRDM16蛋白在BAT的活化过程中起着重要作用。PRDM蛋白家族由17个成员组成，在结构上由保守的N端PR[PRDI-BFI(正向调节结构域I-结合因子1)和RIZ1(视网膜母细胞瘤蛋白相互作用的锌指基因1)]结构域和数量不等的锌指组成[15]。PRDM蛋白作为转录调节器，通过内在的染色质修饰活动或通过招募辅助因子和染色质修饰因子来调节细胞的增殖和分化[16-17]。其中，PRDM16基因由MOCHIZUKI等[18]在研究骨髓增生异常综合征(myelodysplastic syndromes，MDS)和急性髓细胞性血病(acute myelogenous leukemia，AML)过程中发现。PRDM16蛋白被认为是棕色和米色脂肪中生热脂肪细胞选择性基因程序的关键调控因子[19]。

齐亚楠等[20]选取SD雄鼠建立肥胖大鼠模型，取大鼠睾丸及睾周脂肪组织称重，两者在肥胖组中均明显高于正常组，实时荧光定量PCR和Western Blot检测肥胖组睾丸及睾周组织中PRDM16蛋白表达量及mRNA表达量，较正常组均明显降低，从而推测PRDM16与肥胖存在联系。

PRDM16锌指蛋白不是直接与DNA结合起作用的，PRDM16先与典型的DNA结合转录因子如CCAAT/增强子结合蛋白β(CCAAT/Enhancer-binding proteinβ，C/EBPβ)、过氧化物酶体增殖物激活受体-γ(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR γ)结合形成转录复合物，通过锌指结构选定并且激活BAT选择性基因程序，从而提高线粒体密度，促进UCP-1的表达[21]；同时，PRDM16通过与羧基末端结合蛋白(C-terminal binding protein，CtBP1和CtBP2)结合形成转录抑制复合物，从而使WAT基因沉默[22]。有研究指出，PRDM16除了能够直接转录激活棕色脂肪特异性基因外，还能通过抑制Ⅰ型干扰素(typeⅠinterferon，Ⅰ型IFN)反应来加强和维持棕色脂肪的特性。Ⅰ型IFN信号的激活会破坏棕色和米色脂肪细胞线粒体的结构和功能从而降低其产热功能，而PRDM16能够作用于Ⅰ型IFN受体的下游，抑制Ⅰ型IFN的转录反应，并保护脂肪细胞中的线粒体基因表达。然而，Ⅰ型IFN信号的激活降低线粒体功能的机制尚不清楚[20]。另有报道表明，棕色脂肪细胞和肌细胞起源自相同的表达Myf5的前体细胞，而PRDM16则决定了Myf5前体细胞分化的方向，实验敲除小鼠棕色脂肪前体细胞中的PRDM16基因，棕色脂肪前体细胞便转化为肌细胞[23-24]。

詹芳芳等[25]通过snapshot或连接酶检测技术对超重肥胖组和正常组对象PRDM16基因相关位点进行了检测，结果显示PRDM16基因rs2651899位点的等位基因A以及单倍体型AAT可能促进超重肥胖发生，而单倍体型GAC、GCT可能抑制超重肥胖发生，这说明PRDM16不同基因位点之间存在相互作用，或协同或拮抗，进而影响肥胖的发生发展。此外，LIU等[26]通过实验发现，正常体质量组BAT中的chr1：2987450的甲基化水平低于超重/肥胖组，CpG甲基化能够抑制PRDM16的转录活性，下调其表达，从而抑制了BAT的生热程序，减少了产热，导致热量储存为WAT增加了体质量，然而，在腹部皮下脂肪组织(subcutaneous adipose tissue，SAT)的chr1：2987447和网膜脂肪组织(omental adipose tissue，OAT)的chr1：2986395中，正常体质量组甲基化水平反而更高，其复杂机制尚未明确，这也说明了PRDM16的表达调控不是单个位点的变异，而是多个位点的变异组合。

孙盼盼等[27]采集腹部手术研究对象术前空腹静脉血，通过Sequenom质谱法检测PRDM16基因启动子区CpG位点甲基化水平，结果显示超重肥胖组PRDM16基因启动子CpG26.27位点甲基化与BMI正相关，但引起甲基化状态改变的机制尚不清楚。PRDM16能与PPAR γ辅激活因子-1α和辅激活因子-1β(PGC-1α和PGC-1β)结合从而促进棕色脂肪细胞分化相关基因的表达，提高线粒体密度、UCP-1的表达，同时PRDM16还与CtBP1、CtBP2结合抑制白色脂肪细胞分化相关基因的表达，如抵抗素和丝氨酸钛酶抑制因子3ak(serpin3ak)的表达，而当PRDM16高度甲基化时便不能与上述转录因子结合从而影响棕色脂肪组织的形成。本研究局限性在于甲基化检测是在血液中而不是脂肪组织中进行的，因此仍需进一步研究。类似的，妊娠期肥胖母亲饮食补充甲基供体可降低后代肥胖率[28]、腹腔脂肪组织TNF-α甲基化可能是致肥胖因素[29]、瘦素基因启动子甲基化程度的降低能促进瘦素表达以对抗肥胖[30]，这些研究在一定程度上表明了PRDM16甲基化与肥胖存在联系。

棕色脂肪组织代谢主要的能量来源是储存在棕色脂肪细胞中的脂肪酸，小部分来自血浆中的葡萄糖，而这种对血浆葡萄糖的摄取清除作用已被证明对糖尿病的治疗有帮助[9]。SEALE等[31]的研究表明，PRDM16转基因小鼠表现出能量消耗增加、体质量增加受限以及对葡萄糖耐量提高的特点，揭示了PRDM16对于治疗肥胖及其相关疾病的潜在价值。

值得注意的是，近年来研究发现，除了PRDM16以外，其他的一些PRDM家族成员同样与肥胖存在密切关系，如PRDM1[19]、PRDM2[32-33]、PRDM3[15]、PRDM4[14]、PRDM12[34]等都有报道。有研究指出，当棕色脂肪中PRDM16缺失时，同样存在于棕色脂肪中的PRDM3会起到补偿作用，当PRDM16和PRDM3同时缺失时，会使动物体内的棕色脂肪的形成过程在早期出现严重的缺陷[15]。有分子数据表明，PRDM3可通过与MED1(Mediator复合物的一个组成部分)相互作用，从而改变棕色脂肪基因特异性启动子的染色质结构，而这个机制与PRDM16相似[35]。因此既往的一些小鼠基因敲除实验只敲除PRDM16来探究其作用时，可能会因为PRDM3代偿效应的存在而影响其实验结果的准确性。这些与肥胖症具有密切联系且可能存在相互作用的PRDM蛋白家族成员，需要进一步的研究加以分析与鉴别。

3 PRDM16在肥胖治疗中的进展

鉴于生热脂肪组织及其相关基因与肥胖的密切关系，近年来人们致力于通过促进生热相关脂肪组织的激活、促进白色脂肪细胞棕色化等途径来探索治疗肥胖的有效途径，并取得了许多前所未有的进展。

杨星雅等[36]进行了一项针对不同运动方式对大鼠棕色脂肪组织形态及功能的影响的研究，该实验通过HE染色观察脂肪组织形态，使用荧光定量PCR检测棕色脂肪组织相关基因PRDM16、PGC-1α及UCP-1的mRNA水平，并用Western-blot检测其相应的蛋白水平，最终发现，有氧训练后PRDM16的mRNA水平是对照组的1.78倍，差异具有统计学意义(P＜0.05)，而PRDM16蛋白的表达水平为对照组的1.46倍；而对于进行抗阻训练的大鼠，其PRDM16基因水平和蛋白水平都有一定程度的升高，尽管其不具有显著性差异。运动是减肥的科学方法，而该实验揭示了有氧运动发挥减重效果的可能机制，指出了PRDM16可能在运动治疗肥胖中扮演着不可或缺的角色。噻唑烷二酮(thiazolidinedione，TZD)可将PRDM16蛋白半衰期从5.9 h延长至17.5 h，使用TZD处理3 d可使PRDM16蛋白积累约250倍，此外，TZD已被证明可诱导sirtuin 1(SIRT1)依赖的PPARγ去乙酰化，进而增强PRDM16和PPARγ复合物的形成，进一步促进WAT褐变[22]。其他的，如辣椒素、骨形态发生蛋白7(bone morphogenetic protein 7，BMP7)、鸢尾素、成纤维细胞生长因子21(fibroblast growth factor 21，FGF21)和利钠肽可能通过激活β2肾上腺素受体诱导皮下WAT的褐变；辣椒素和TZD类似，都可促进PRDM16蛋白的稳定性，但促进PRDM16蛋白稳定的分子机制尚不明确，而PRDM16的稳定性受到泛素-蛋白酶体途径的高度调控，因此去泛素化很可能是增强PRDM16稳定性的潜在机制；尚未得到鉴定的PRDM16的特异性E3泛素连接酶可能成为诱导WAT褐变的合理药物靶点[22]。

值得关注的是，能够检测到BAT的成年人拥有一些共同特征，如较年轻，糖化血红蛋白(HbA1c)、胆固醇、低密度脂蛋白-胆固醇、葡萄糖、体质量指数(BMI)较低[37]。BAT量随着年龄的增长而逐渐减少，在80岁时BAT量显著降低[38]。据推测，至少30%的老年人和接近100%的年轻人拥有BAT[39]。BAT和WAT在不同个体中的比例和活性不同，这可能可以解释为什么某些群体体质量更容易增加，减肥效果差，同时也可解释人的体质量随年龄增长而增加的趋势。另外，不是所有个体都具有肥胖倾向，如种族、海拔等许多因素都能影响个体的肥瘦平衡[40]。有研究指出，BAT移植可能比药物治疗更加有成效[41]。在高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型中进行BAT的移植和摘除实验，结果显示BAT移植在不改变饮食摄入量的情况下逆转了高脂饮食诱导的体质量增加和胰岛素抵抗，减轻了肥胖相关的脂肪组织炎症，同时，还提高了内源性棕色化标记蛋白如PRDM16、UCP-1的表达，此外还促进了脂肪酸氧化相关基因表达的增加[42]。该研究揭示了治疗肥胖的又一潜在途径，即通过外源性的BAT移植，在外源性补充PRDM16等产热耗能相关因子的同时，又促进个体本身产热耗能因子的表达，该方法似乎避免了个体差异所造成的生热组织含量的不足等因素，是未来治疗肥胖及其相关疾病的一个值得探讨的方向。

KISHIDA等[43]通过细胞重编程技术生成功能性棕色脂肪细胞的研究，他们将PRDM16基因转入诱导型多能干细胞来源的胚状体中，经过培养后约75%的细胞呈棕色脂肪细胞外观，含有丰富的线粒体及多房脂滴，并且高水平表达UCP-1等。这些诱导形成的棕色脂肪细胞被移植到同种基因的小鼠体内的皮下组织中，并给予高脂饮食。结果表明，相比于对照组，这些小鼠的体质量增加要少得多，并且恢复了由于高脂饮食所导致的血脂异常。该研究显示，通过PRDM16转导的诱导型棕色脂肪细胞在体内具有代谢活性，能够显著抑制饮食诱导的肥胖、血脂异常等。这揭示了一种颇具前景的针对肥胖等代谢疾病的靶向治疗方法，是将细胞编程等先进技术运用于临床治疗的新尝试。