MicroRNAs調控白色脂肪棕色化研究進展

李佳　格日力

青海大學醫學院高原醫學研究中心，青海省高原醫學應用基礎重點實驗室，青海－猶他聯合重點實驗室（西寧 810001）

MicroRNAs（miRNAs）是一類小非編碼的RNA分子，包含大約20～22個核苷酸，對基因表達調控具有重要意義。miRNAs普遍存在生物體內，并在許多器官和組織中表達，包括脂肪組織。哺乳動物含有兩種類型的脂肪組織，即白色脂肪組織（WAT）和棕色脂肪組織（BAT），前者是機體最大的能量儲存庫；后者的作用則是消耗能量，維持機體體溫。BAT最初是在冬眠動物和新生兒體內發現，主要作用是對抗寒冷。后來BAT在成年人體內也被發現，并揭示了其保持能量平衡和改善代謝的潛能。另一類介于二者之間的脂肪細胞，米色脂肪細胞，即白色脂肪“棕色化”。近年來許多研究證明，miRNAs對脂肪組織的分化、棕色脂肪的激活以及白色脂肪“棕色化”的調控具有重要作用。因此，本文將從miRNAs對棕色脂肪生成和白色脂肪“棕色化”的調控作一綜述。

1　脂肪組織的分類

1.1白色脂肪組織WAT來源于Myf5陰性祖細胞，細胞呈圓形，只含有一個脂滴，線粒體含量少。WAT在機體廣泛存在，根據其分布，可分為內臟白色脂肪組織（vWAT）和皮下白色脂肪組織（sWAT），前者主要包裹在器官周圍，后者則分布在腹股溝區、腰腹部、大網膜、脊柱旁等。WAT是人體最大的“能源儲存庫”。WAT的主要功能是以甘油三酯的形式儲存過剩的能量，在機體需要時快速補充。另外，WAT還有支持填充、保護內臟、維持體溫的作用。

1.2棕色脂肪組織BAT來源于Myf5陽性細胞，含有大量線粒體和少量脂滴。早在16世紀，科學家們認為BAT只存在于冬眠的哺乳動物和新生兒體內。直到2007年科學家在成年人體內發現具有功能的BAT才打破這一定論。BAT在人體主要分布在肩胛間區、頸部、腋窩、縱隔、腎周、鎖骨上。寒冷刺激能夠激活BAT，并通過非震顫性產熱產生熱量。這一過程是通過線粒體呼吸鏈內膜的解耦聯蛋白?1（UCP?1）氧化磷酸化實現的。研究證實，體型偏瘦的人群比肥胖人群BAT含量多。因此，移植BAT可能是減肥的一項潛在措施。

1.3白色脂肪棕色化“棕色化”的白色脂肪細胞即米色脂肪細胞，其來源于WAT本身，尤其是腹股溝區的WAT。米色脂肪組織在形態上與BAT相似，脂滴呈多腔室，富含大量線粒體，高表達UCP?1陽性細胞，并且表達棕色脂肪特異性基因，包括UCP?1、細胞死亡誘導的DNA片段因子A（Cidea）、過氧化物酶激活體共激活因子 1α（PGC?1α）、PR 結合域蛋白 16（PRDM16）以及 CCAAT/增強子β（C/EBPβ）。米色脂肪細胞在形態上以及產熱基因的表達與棕色脂肪細胞十分相似［1］，這類脂肪細胞也被稱作誘導的棕色脂肪細胞［2］。然而，目前關于米色脂肪細胞的特性和來源仍存在許多爭議。主要有以下幾種觀點：（1）它們是由白色脂肪細胞前體分化而來［3］；（2）它們來源于白色脂肪細胞本身，可被寒冷誘導［4］；（3）它們可由脂肪前體細胞分化［5］。因此，根據WAT的分布不同，米色脂肪細胞的來源和生成也有明顯差異［6］。最近的一項研究［7］表明，通過寒冷刺激誘導的皮下白色脂肪細胞來源于平滑肌前體細胞，這一發現暗示米色脂肪細胞具有多相性。因此，需要設計更多的實驗誘導白色脂肪棕色化，通過形態學、分子生物學手段明確其來源和性質，使其得到廣泛應用。

2　miRNAs作用的主要轉錄因子

2.1PRDM16miRNAs對棕色脂肪和米色脂肪的調節主要通過轉錄因子作用。這些轉錄因子包括PRDM16，PRDM16是1個分子量為140 kD的鋅指蛋白，對棕色脂肪和米色脂肪的形成具有重要作用［8］。PRDM16可以與很多調節因子共同作用，包括PGC?1α、PGC?1β、C/EBPβ，常染色質組蛋白?賴氨酸N端甲基轉移酶?1（EHMT1）［9］和C末端結合蛋白（CtBPs）。早期的B 細胞因子?2（EBF2）與PRDM16作用，是通過招募PPARγ與BAT選擇性的靶基因實現［10］。PRDM16是米色脂肪分化和出生后BAT形成的主要調節因子，它可能與其他調節因子之間具有復雜的聯系。

2.2PPARs調節因子過氧化物酶增殖激活受體α（PPARα）對棕色脂肪細胞的分化作用并不清楚。然而，去除PPARα可減少棕色脂肪特異性基因的表達，包括Zic1，Lhx8和PRDM16，這一結果暗示PPARα對棕色脂肪生成的重要性。2011年，Marta Giralt's團隊證實PPARα通過鏈接PPAR與PGC?1α啟動子末端的反應元件誘導PGC?1α表達。

2.3其他轉錄因子其他調節棕色脂肪形成的轉錄因子包括，骨形成蛋白7（BMP7）和促食素（Orexin）。BMP7促進棕色脂肪組織的形成和產熱通過許多機制實現，包括誘導PRDM16和PGC?1α的表達，增加 UCP?1的表達，增強PPARγ和C/EPBs的表達，以及誘導線粒體的生成。Orexin則通過p38/MAPK通路和骨形成蛋白受體?1α（BMPR1A）依賴的Smad信號通路起作用。

綜上所述，PRDM16和PPARs對白色脂肪棕色化具有重要作用。PPARα是通過PRDM16和PGC?1α促進棕色化。近年來，PPARγ受體激動劑廣泛且高效應用于白色脂肪棕色化。給予PPARγ受體激動劑以后，誘導PGC?1α表達，從而產生棕色化反應。PRDM16明顯促進羅格列酮（一種PPARγ受體激動劑）誘導白色脂肪棕色化［11］。相反地，去除PRDM16導致羅格列酮對棕色脂肪的形成作用減弱。最近的一項研究［12］表明，Sirtuin 1（SIRT1）促進白色脂肪棕色化依賴于PPARγ脫乙酰作用，并通過招募PRDM16實現。另外一個誘導白色脂肪棕色化的重要通路是環鳥苷酸（cGMP）信號通路，cGMP通過增加鳥苷酸環化酶刺激因子［13］鈉尿肽（NPs）［14］或磷酸二酯酶?5抑制劑（例如西地那非）［15］誘導棕色化。

3　調節棕色化的miRNAs

miRNAs是一類非編碼的小分子RNA，在人和動物體內廣泛表達。miRNAs通過初級miRNA（pri?miRNA）轉錄，轉錄后，pri?miRNA在酶的作用下成熟，即形成具有發夾結構的pre?miRNA，pre?miRNA在轉運蛋白?5的作用下轉運到細胞質，在Dicer酶的作用下切除莖環結構，形成大約22個核苷酸的雙鏈miRNA。近年來，miRNAs被證實在許多不同物種的BAT中存在，同時研究證實miRNAs可調控經典棕色脂肪的生成和白色脂肪棕色化。miRNAs對棕色化的調控包括正向調控和負向調控。最近的一項研究［16］證實，通過miRNA途徑可以使棕色脂肪組織白色化，揭示了miRNA對BAT的分化影響。因此，探索和發現一些miRNA的作用和機制以及其對棕色化的影響具有重要意義。筆者將聚焦于近年來發現的一些miRNAs，并將其對棕色脂肪組織和棕色化的作用進行概括。

3.1　正向調控棕色化的miRNAs

3.1.1miRNA?196amiRNA?196a對白色脂肪祖細胞棕色化具有必不可少的作用，其通過C/EBPβ，PRDM16，UCP?1和PGC?1α等［17］轉錄因子誘導棕色脂肪基因的表達。miR?NA?196a還可通過抑制Homeobox C8（HoxC8）誘導棕色化，HoxC8是白色脂肪形成的決定因子［18］。HoxC8可直接抑制C/EBPβ的表達，而C/EBPβ是誘導棕色脂肪產熱和UCP?1表達的關鍵因子。miRNA?196a的表達可通過寒冷暴露和β3?腎上腺受體刺激誘導，然而機制并不清楚。因此，尚需更多設計合理的實驗，通過對影響棕色化的多靶點干預，明確miRNA?196a促進棕色化的信號通路和靶向作用。

3.1.2miRNA?26miRNA?26家族（包括miRNA?26a和miRNA?26b）已被證實是調節人類白色脂肪和米色脂肪分化的關鍵因子［19］，在白色脂肪細胞分化時表達增加。miRNA?26a在棕色脂肪組織中含量豐富，并且通過寒冷刺激后在WAT中表達。模擬miRNA?26a/b對白色脂肪和米色脂肪的作用，是通過BAT 特異性基因，包括UCP?1、PGC?1α和aP2的表達，進而增加UCP?1陽性細胞實現的。miRNA?26家族對白色/米色脂肪的形成依賴于金屬鈦酶域?17（AD?AM17），它可能是抑制脂肪形成或者抑制棕色化的因子。然而，其作用機制并不清楚。由此可見，對ADAM17的上下游進行深入的研究是十分必要的，這樣方能明確其對脂肪合成和棕色化的作用。

3.1.3miRNA?30miRNA?30家族（包括miRNA?30b和miRNA?30c）被證實可以促進產熱過程和棕色化反應［20］。它們在BAT中的表達高于WAT，且在寒冷刺激或β?腎上腺受體激活狀態下促進BAT的分化。miRNA?30b/c促進產熱是通過上調產熱基因（UCP?1和Cidea）的表達，從而誘導棕色脂肪細胞線粒體呼吸。miRNA?30家族也可增強腹股溝區白色脂肪基質血管成分產熱基因和線粒體呼吸作用。一項針對小鼠的體內阻斷實驗結果表明，抑制miRNA?30b/c的表達導致UCP?1表達下調，同時BAT線粒體呼吸作用減弱。miRNA?30b/c對UCP?1和Cidea的作用是通過靶向作用受體交叉蛋白140（RIP140）實現，RIP140是產熱基因UCP?1和Cidea的輔抑制物［21］。因此，miRNA?30b/c正向調控BAT，促進白色脂肪棕色化。

3.1.4miRNA?455miRNA?455對棕色脂肪的形成起正向調控作用，使棕色脂肪特異性基因表達，可以被寒冷和BMP7誘導［22］。在棕色脂肪細胞和白色脂肪前體細胞中過表達miRNA?455以及在多潛能祖細胞中過表達miRNA?455均可促進細胞分化，并且增加脂滴積累，表達多種脂肪形成基因和棕色脂肪特異性基因。相反地，抑制miRNA?455的表達導致棕色脂肪生成被抑制。有研究證實，在小鼠體內移植表達miRNA?455的C3H/10T1/2細胞可以增加產熱。研究表明，高脂飲食誘導的miRNA?455轉基因小鼠出現腹股溝區白色脂肪棕色化，產熱能力增加，抵御寒冷能力增加，胰島素敏感性增加，糖耐量改善，體重減輕。相反地，miRNA?455敲除小鼠棕色脂肪減少，UCP?1、PGC?1α和PPARγ表達被抑制。miRNA?455作用的3個靶點包括Runx1t1、Necdin和低氧誘導因子?1α亞基抑制劑（HIF?1αn）。miRNA?455通過HIF?1αn減少AMP?激活蛋白激酶α1（AMPKα1）中Asn173的羥基化，增強AMPKα1活性，從而增加PGC?1α的表達，促使線粒體合成，同時增加脂肪動員和脂肪分解的基因表達。由于miRNA?455對HIF?1αn的作用，因此，探尋其在高原物種體內的作用，極有可能為高原人群和土生動物在高原極端寒冷、低氧環境下的適應機制另辟蹊徑。

3.2　負向調控棕色化的miRNAs

3.2.1miRNA?378miRNA?378對BAT起正向調控作用［23］，而對白色脂肪棕色化卻呈現出負向調控。miRNA?378轉基因小鼠在寒冷暴露下，腹股溝區WAT產熱途徑被完全抑制。出現這種現象的原因可能是BAT和WAT之間的串擾作用，而不是miRNA?378本身的影響。miRNA?378轉基因能夠改善肥胖基因小鼠的肥胖狀態和飲食誘導的肥胖，miRNA?378對棕色脂肪的作用可能是靶向作用Pde1b（一種磷酸二酯酶），通過催化cAMP的翻轉作用，從而導致cAMP水平降低。也就是說，miRNA?378能夠促進棕色脂肪的合成，但對皮下白色脂肪組織棕色化作用鈍化。出現這種結果可能與實驗設計、物種差異以及寒冷暴露的溫度有關，因此，需要更多的實驗來驗證其可靠性，譬如對冷暴露溫度進行逐級分組，通過miRNA?378干擾明確其對白色脂肪和棕色脂肪的作用。

3.2.2miRNA?133miRNA?133在肌肉組織中高表達，是第一個被證實抑制棕色脂肪合成的miRNAs之一［24］。miRNA?133直接作用于PRDM16，并負向調控其表達。寒冷暴露后，BAT中miRNA?133下調，PRDM16和其下游的產熱基因表達增加。miR?133在BAT和腹股溝區WAT中均表達。敲除miRNA?133的小鼠腹股溝區白色脂肪棕色化［25］。所以，miRNA?133通過抑制PRDM16影響棕色脂肪的生成和白色脂肪棕色化。為進一步證實miR?133對棕色脂肪的作用，可通過其在高原鼠兔等完全寒冷適應的物種體內驗證，即分別在室溫和寒冷暴露下檢測miR?133的表達，觀察高原鼠兔棕色脂肪的激活以及腹股溝區白色脂肪棕色化的程度，并通過機體的產熱量和能量代謝參數證實棕色脂肪的激活。

3.2.3miRNA?155miRNA?155在BAT中高表達，研究證實其對棕色脂肪和白色脂肪棕色化呈負向調控。miRNA?155在BAT增殖時高表達，并隨細胞分化衰退。miRNA?155直接作用于C/EBPβ，C/EBPβ對BAT的分化和白色脂肪棕色化具有關鍵作用。盡管C/EBPβ與白色脂肪和棕色脂肪細胞的分化均相關，C/EBPβ/C/EBPδ基因敲除小鼠對棕色脂肪生成具有明顯抑制作用，C/EBPβ對白色脂肪細胞的作用甚微。敲除C/EBPβ導致BAT性狀改變（包括脂滴減少以及UCP?1表達下調）。C/EBPβ對BAT的作用可概括為：（1）C/EBPβ在棕色脂肪對抗白色脂肪表達時的短暫動力不同；（2）其與PRDM16相互作用形成轉錄復合體。C/EBPβ對棕色脂肪細胞的生成具有關鍵作用。應用慢病毒表達miRNA?155影響棕色脂肪的生成以及UCP?1和PGC?1α的產熱能力［26］。相反，miRNA?155抑制劑促進棕色脂肪的生成以及誘導寒冷暴露后白色脂肪棕色化。一方面，miRNA?155對C/EBPβ起負向調控作用，導致miRNA?155和C/EBPβ的雙向負反饋。另一方面，miRNA?155對轉換生長因子?β1（TGFβ1）起正向調控作用，抑制3T3?L1細胞的脂肪合成。miRNA?155轉基因小鼠棕色脂肪組織重量減少，脂滴減小，甘油三酯含量減少，成脂基因和產熱基因表達減少，并導致棕色脂肪特異性轉基因小鼠皮溫降低。然而，miRNA?155敲除小鼠肩胛區皮溫上升，冷暴露后脂肪分解和細胞內呼吸增強，腹股溝區棕色樣細胞增加。

3.2.4miRNA?27miRNA?27通過作用于PPARγ使白色脂肪的生成抑制。同時，有研究證實，miRNA?27抑制棕色脂肪的生成和棕色化反應。寒冷暴露或β?腎上腺激動劑治療后，miRNA?27表達減少。miRNA?27抑制劑促使內臟和sWAT中棕色脂肪生成基因表達增加（包括UCP1、PRDM16、PPARα/γ、Cidea和PGC1α）。miRNA?27負向調控棕色脂肪或棕色化作用是通過PRDM16、PPARα/γ、cAMP反應元件結合蛋白（Creb）和部分PGC?1β實現。因此，可通過下調miRNA?27的表達及使用其抑制劑促進白色脂肪棕色化和激活棕色脂肪，從而為肥胖等代謝性疾病提供潛在治療。

3.2.5miRNA?34amiRNA?34a對棕色脂肪生成或棕色化起負向調控作用，在肥胖時表達增加。下調miRNA?34a對高脂飲食誘導的肥胖具有正向調控作用，即在飲食正常的情況下減輕體重和白色脂肪的重量。下調miRNA?34a的表達促進棕色脂肪生成和棕色化反應，這種作用是通過上調棕色脂肪生成基因（UCP?1、PRDM16和PGC?1α）的表達實現，從而增強白色脂肪和棕色脂肪組織中線粒體功能。FGF21被證實能夠促進棕色脂肪生成及白色脂肪棕色化［27］，miRNA?34a可直接作用于 FGF21受體 FGFR1。因此，可通過下調miRNA?34a增加NAD+水平，SIRT1表達以及PGC?1α脫乙酰化，改善脂肪組織中FGF21信號通路，從而誘導白色脂肪棕色化。

4　結語與展望

BAT在激活狀態下可以燃燒脂滴和分解葡萄糖，從而增加能量消耗。因此，BAT是治療肥胖的一個潛在靶點。多項研究以及對嚙齒類動物的研究表明，除了BAT，白色脂肪棕色化也可增加能量消耗，從而抵抗肥胖。迄今為止，許多miRNAs被證實能夠調控轉錄因子的表達，包括PRDM16、PPARα/γ、C/EBPβ和PGC1α/β。盡管許多文獻報道了miRNAs對棕色脂肪的生成及白色脂肪棕色化具有關鍵作用，然而，只有少數miRNA對棕色脂肪生成及白色脂肪棕色化作用機制被闡明，如 miRNA?196a、miRNA?26、miRNA?30、miRNA?455起正向調控作用；而 miRNA?378、miRNA?133、miRNA?155、miRNA?27、miRNA?34a則起負向調控作用。因此，亟需建立比較完整的miRNAs調控網絡。盡管一些miRNA的治療已經進入臨床［28-29］，但更加完善、系統的關于miRNAs對棕色脂肪組織生成和白色脂肪棕色化的研究仍在進行中，最終為肥胖以及代謝相關性疾病提供有效治療。

表1　參與調控白色脂肪棕色化的miRNAsTab.1　MicroRNAs participate in white fat browning

［1］WU J，BOSTROM P，SPARKS L M，et al.Beige adipocytes are a distinct type of thermogenic fat cell in mouse and human［J］.Cell，2012，150（2）：366?376.

［2］HOFFMANN L S，LARSON C J，PFEIFER A.cGMP and brown adipose tissue［J］.Handb Exp Pharmacol，2015，233：283?299.

［3］VITALI A，MURANO I，ZINGARETTI M C，et al.The adi?pose organ of obesity?prone C57BL/6J mice is composed of mixed white and brown adipocytes［J］.J Lipid Res，2012，53（4）：619?629.

［4］NEDERGAARD J，CANNON B.The browning of white adipose tissue：Some burning issues［J］.Cell Metab，2014，20（3）：396?407.

［5］WANG Q A，TAO C，GUPTA R K，et al.Tracking adipogene?sis during white adipose tissue development，expansion and re?generation［J］.Nat Med，2013，19（10）：1338?1344.

［6］LEE Y H，PETKOVA A P，MOTTILLO E P，et al.In vivo identification of bipotential adipocyte progenitors recruited by beta3?adrenoceptor activation and high?fat feeding［J］.Cell Metab，2012，15（4）：480?491.

［7］LONG J Z，SVENSSON K J，TSAI L，et al.A smooth muscle?like origin for beige adipocytes［J］.Cell Metab，2014，19（5）：810?820.

［8］COHEN P，LEVY J D，ZHANG Y，et al.Ablation of PRDM16 and beige adipose causes metabolic dysfunction and a subcuta?neous to visceral fat switch［J］.Cell，2014，156（1-2）：304?316.

［9］OHNO H，SHINODA K，OHYAMA K，et al.EHMT1 controls brown adipose cell fate and thermogenesis through the PRDM16 complex［J］.Nature，2013，504（7478）：163?167.

［10］RAJAKUMARI S，WU J，ISHIBASHI J，et al.EBF2 deter?mines and maintains brown adipocyte identity［J］.Cell Metab，2013，17（4）：562?574.

［11］OHNO H，SHINODA K，SPIEGELMAN B M，et al.PPAR gamma agonists induce a white?to?brown fat conversion through stabilization of PRDM16 protein［J］.Cell Metab，2012，15（3）：395?404.

［12］QIANG L，WANG L，KON N，et al.Brown remodeling of white adipose tissue by SirT1?dependent deacetylation of PPAR gamma［J］.Cell，2012，150：620?632.

［13］HOFFMANN L S，ETZRODT J，WILLKOMM L，et al.Stimu?lation of soluble guanylylcyclase protects against obesity by re?cruiting brown adipose tissue［J］.Nat Commun，2015，6：7235.

［14］BORDICCHIA M，LIU D，AMRI E Z，et al.Cardiac natriuret?ic peptides act via p38 MAPK to induce the brown fat thermo?genic program in mouse and human adipocytes［J］.J Clin In?vest，2012，122（3）：1022?1036.

［15］MITSCHKE M，HOFFMANN L S，GNAD T，et al.Increased cGMP promotes healthy expansion and browning of white adi?pose tissue［J］.FASEB J，2013，27（4）：1621?1630.

［16］MORI M A，RAGHAVAN P，THOMOU T，et al.Role of mi?croRNA processing in adipose tissue in stress defense and lon?gevity［J］.Cell Metab，2012，16（3）：336?347.

［17］MORI M，NAKAGAMI H，RODRIGUEZ?ARAUJO G，et al.Essential role for miR?196a in brown adipogenesis of white fat progenitor cells［J］.PLoS Biol，2012，10（4）：e1001314.

［18］GESTA S，TSENG Y H，KAHN C R.Developmental origin of fat：Tracking obesity to its source［J］.Cell，2017，131（2）：242?256.

［19］KARBIENER M，PISANI D F，FRONTINI A，et al.MicroRNA?26 family is required for human adipogenesis and drives char?acteristics of brown adipocytes［J］.Stem Cells，2014，32（6）：1578?1590.

［20］HU F，WANG M，XIAO T，et al.miR?30 promotes thermogen?esis and the development of beige fat by targeting RIP140［J］.Diabetes，2015，64（6）：2056?2068.

［21］NAUTIYAL J，CHRISTIAN M，PARKER M G.Distinct func?tions for RIP140 in development，inflammation，and metabo?lism［J］.Trends Endocrinol Metab，2013，24（9）：451?459.

［22］ZHANG H，GUAN M，TOWNSEND K L，et al.MicroRNA?455 regulates brown adipogenesis via a novel HIF1an?AMPK?PGC1alpha signaling network［J］.EMBO Rep，2015，16（10）：1378?1393.

［23］PAN D，MAO C，QUATTROCHI B，et al.MicroRNA?378 con?trols classical brown fat expansion to counteract obesity［J］.Nat Commun，2014，5：4725.

［24］TRAJKOVSKI M，AHMED K，ESAU C ，et al.MyomiR?133 regulates brown fat differentiation through Prdm16［J］.Nat Cell Biol，2012，14（12）：1330?1335.

［25］LIU W，BI P，SHAN T，et al.miR?133a regulates adipocyte browning in vivo［J］.PLoS Genet，2013，9（7）：e1003626.

［26］CHEN Y，SIEGEL F，KIPSCHULL S，et al.miR?155 regu?lates differentiation of brown and beige adipocytes via a bistable circuit［J］.Nat Commun，2013，4：1769.

［27］LEE P，LINDERMAN J D，SMITH S，et al.Irisin and FGF21 are cold?induced endocrine activators of brown fat function in humans［J］.Cell Metab，2014，19（2）：302?309.

［28］BOUCHIE A.First microRNA mimic enters clinic［J］.Nat Bio?technol，2013，31（7）：577.

［29］JANSSEN H L，REESINK H W，LAWITZ E J，et al.Treat?ment of HCV infection by targeting microRNA［J］.N Engl J Med，2013，368（18）：1685?1694.