組蛋白H3的甲基化修飾與脂肪細胞分化關系的研究進展

武曉慧，楊 帆，陳佳琪，劉婉瑩，周秋安，魏婉麗※

(西安醫學院 a.肥胖與代謝病研究所，b.臨床醫學院，西安 710021)

肥胖是當今世界最嚴重的公共衛生問題之一，是導致目前主要慢性非傳染性疾病發展的獨立危險因素，心腦血管疾病、糖尿病、脂肪肝[1]、部分惡性腫瘤(子宮內膜癌、卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌、大腸癌等)[2-3]以及抑郁癥和焦慮癥[4]的發生均與其有關，由此造成巨大的醫療負擔[5]。最新的數據顯示，全球18歲以上人群中超重人數已超過19億，其中有6億人達到肥胖水平[6]，我國是全球肥胖人數最多的國家[7]。

肥胖主要表現為能量在脂肪細胞內過度蓄積，常伴有脂肪細胞分化異常。深入研究脂肪細胞的分化有助于了解肥胖的形成機制并尋找新的治療途徑。脂肪細胞根據其形態、分布及功能的不同可分為白色脂肪細胞、棕色脂肪細胞和米色脂肪細胞3類。其中棕色和米色脂肪細胞因可以通過產熱消耗大量的能量，是肥胖治療研究的新靶點。脂肪細胞的分化研究已不再局限于對單個基因功能的探索，在調控多個基因表達的表觀遺傳領域也有大量研究，并取得了較大進展。目前已發現大約50個轉錄和表觀遺傳調節物正向或負向調節棕色和米色脂肪細胞的分化[8]。現對這3類脂肪細胞的形態特點與組織分布、脂肪細胞的分化起源，及組蛋白H3的甲基化修飾對脂肪細胞分化調控作用的研究進展進行綜述。

1 脂肪細胞的分類和組織分布

1.1白色脂肪細胞 白色脂肪細胞內含有單個大脂滴，細胞質和細胞核被擠壓到邊緣(圖1a)，線粒體等細胞器不發達。白色脂肪細胞的主要功能是以三酰甘油的形式將多余的能量儲存在細胞內，以備不時之需。

白色脂肪遍布全身皮下和內臟周圍。其分布形式在個體間差異較大，并可因遺傳、年齡、糖皮質激素的使用等發生分布的變化。在營養條件良好時，白色脂肪可以持續積累，尤其在內臟周圍如大網膜、腸系膜等部位更為明顯，與代謝性疾病(胰島素抵抗、2型糖尿病、血脂異常、高血壓等)、動脈粥樣硬化、肝臟脂肪變性和癌癥的發生密切相關，而皮下脂肪的積聚則與改善的胰島素敏感性和2型糖尿病低風險有關[9-13]。但皮下脂肪增加導致的超重仍與骨性關節炎等密切相關[14]。

1.2棕色脂肪細胞 棕色脂肪細胞內含有多個小脂滴(圖1b)，并富含線粒體。棕色脂肪細胞的線粒體體積較大，嵴豐富，使得內膜面積增大，這種結構特點與低溫環境下快速產熱的需求相適應。線粒體內膜上分布有解偶聯蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)，可以解偶聯氧化磷酸化反應而產熱。

棕色脂肪產熱時首先消耗自身脂滴內儲存的三酰甘油，還可從外周血中主動吸收葡萄糖和脂肪酸，維持氧化和產熱過程，消耗大量的能量。棕色脂肪主要分布在人類的肩胛間區、腎周圍、頸部、縱隔等區域，嚙齒類動物主要分布在肩胛間區和腎臟周圍。多種嚙齒類動物在成年后仍保留較多的棕色脂肪組織，以幫助其適應寒冷環境。以往觀點認為，嬰兒肩胛間的棕色脂肪隨著生長發育逐漸減少乃至消失[15-16]。近年來一些針對人體開展的研究采用正電子發射計算機斷層成像掃描顯示，成人體內有棕色脂肪組織的存在，且其含量與受試者的體質指數、體脂含量及空腹血糖水平呈負相關[17-20]。另外慢性冷刺激可以在之前未能檢測出棕色脂肪庫的受試者中誘導出棕色脂肪，這可能是源于新的產熱脂肪細胞的分化，從而導致非戰栗產熱的增加和胰島素敏感性的改善[21-24]。

1.3米色脂肪細胞 米色脂肪細胞散在分布于白色脂肪組織中，形態上具有與棕色脂肪細胞類似的多泡狀脂滴并富含線粒體(圖1c)，也可以通過UCP1解偶聯氧化磷酸化產熱來消耗能量，但米色脂肪可以表達一些特異的標志基因，如腫瘤壞死因子受體超家族成員9(又稱CD137)、穿膜蛋白26及T-盒蛋白1等[25-28]。米色脂肪細胞被稱為“誘導型棕色脂肪細胞”或“白色脂肪中的棕色脂肪細胞”，其可被誘導的現象又被稱為“白色脂肪棕色化”或“褐變”。研究表明，成人頸深部脂肪組織顯示出經典棕色脂肪的表型特征[16,29]，鎖骨上區棕色和米色脂肪均有分布[30]，因而認為成年人體內米色脂肪細胞和棕色脂肪細胞共同存在[31-32]。

米色脂肪細胞可以被許多環境因素或化學物質所誘導，如寒冷、去甲腎上腺素、鳶尾素、過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator activated receptor γ，PPARγ)激動劑羅格列酮等。米色脂肪在應對寒冷刺激時可以發生高效產熱，幾乎與棕色脂肪相等[24]。如果能誘導人體內的米色脂肪細胞分化增加，則能利用其產熱耗能作用治療肥胖和2型糖尿病，特別是體內棕色脂肪含量較少的老年肥胖人群[33-34]。

6周齡C57BL/6J小鼠組織切片蘇木素-伊紅染色照片 a：白色脂肪細胞；b：棕色脂肪細胞；c：米色脂肪細胞；黃色箭頭所指處為白色脂肪細胞，藍色箭頭所指處為米色脂肪細胞(Scale bar=75 μm)

圖1 三種脂肪細胞的形態特點

2 脂肪細胞的起源及分化

脂肪組織在全身能量平衡中處于中心地位。白色脂肪以三酰甘油的形式儲存過剩的能量，而棕色和米色脂肪以產熱的形式耗散能量。由此看來，機體具有一定的調控能量存儲穩態的能力。而肥胖的產生可能是由于耗能能力相對處于弱勢。大規模的臨床調查研究發現，棕色脂肪或米色脂肪的增加與體重和葡萄糖耐量、高脂血癥的改善密切相關[35-37]，因而明確脂肪細胞的分化調控，尤其是這兩類產熱性脂肪細胞的分化調控機制，對于肥胖及其并發癥的治療具有重要意義。

三種類型的脂肪細胞均來源于間充質干細胞是目前的普遍認識。體內的譜系追蹤研究表明，表達早期肌源性因子-肌生成因子5(myogenic factor 5，MYF5+)的細胞可以分化為骨骼肌細胞及肩胛間區和腎周的棕色脂肪細胞[38-39]，而白色脂肪細胞主要由MYF5-的前體細胞分化而來。此外，可被β3腎上腺素受體激動劑或冷刺激誘導的白色脂肪中出現的米色脂肪細胞為MYF5-，表明經典棕色脂肪細胞的起源與米色脂肪細胞的來源不同，而白色和米色脂肪細胞可能有共同的起源[40]。經典的棕色脂肪前體細胞除MYF5外，還有其他的標志物，如配對盒蛋白7[41]。

3 組蛋白H3甲基化修飾對脂肪細胞分化的調控

表觀遺傳是一種遺傳調控機制，影響基因轉錄而不改變DNA序列。表觀遺傳調控包括DNA甲基化、組蛋白修飾及非編碼RNA的調控等多種形式[41]。表觀遺傳調控機制可能通過激活或沉默脂肪細胞分化關鍵基因的表達來實現調控脂肪細胞分化的作用。其中許多調控因子通過影響PPARγ、CCAAT增強子結合蛋白家族(CCAAT enhancer binding proteins，C/EBPs)和含PR同源結構域的蛋白16發揮作用。

3.1組蛋白修飾的分類與組蛋白修飾酶 組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2個單位組成八聚體，145～147個DNA堿基對盤繞其上，構成核小體的核心顆粒，每個核心顆粒之間由含60個堿基對的DNA鏈及1個組蛋白H1的連接區相連接。組蛋白除作為骨架提供DNA盤繞的支撐結構外，氨基酸鏈上的殘基位點也可被修飾，如發生甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等修飾，影響基因的轉錄[42]。這些修飾與染色體失活、異染色質形成、沉默或激活基因的表達、細胞及個體發育等聯系密切。

3.2組蛋白的甲基化和去甲基化修飾 組蛋白甲基化常發生在H3和H4的N端的精氨酸或賴氨酸殘基上，甲基化后通用的表示方法：如組蛋白H3的27位賴氨酸甲基化，則表示為H3K27me[43]。根據該位點甲基化程度的不同，組蛋白甲基化包括一、二和三甲基化，分別表示為H3K27me1、H3K27me2和H3K27me3。組蛋白甲基化酶(或稱甲基轉移酶)或去甲基化酶的表達、活性和招募都通過影響組蛋白狀態、染色體的結構及基因轉錄在機體發育和生理活動中發揮作用。

3.3常見組蛋白H3甲基化和去甲基化位點修飾酶與脂肪細胞分化的關系 組蛋白H3賴氨酸殘基位點的甲基化修飾是最常見的翻譯后修飾之一，如H3K4、H3K9、H3K27等位點的甲基化。甲基化后，根據位點的不同發生基因的轉錄激活或沉默[44-45]。幾種組蛋白甲基化酶和去甲基化酶，通過調節組蛋白甲基化修飾狀態在棕色脂肪的發育和產熱基因的表達方面發揮重要作用[46]。

3.3.1H3K4 組蛋白賴氨酸甲基轉移酶2C(lysine methyltransferase 2C，KMT2C，又稱MLL3)及其同源物賴氨酸甲基轉移酶2D(lysine methyltransferase 2D，KMT2D，又稱MLL4)通過催化H3K4甲基化在細胞種類特異性基因的增強子區域起作用。敲除Mll3的小鼠白色脂肪和棕色脂肪均發生基因表達改變。尤其是在棕色脂肪組織中，超過500個基因的表達發生改變，其中46%與代謝相關。此外，敲除該基因的小鼠有較瘦的表型、血糖水平降低以及胰島素敏感性升高。這些結果提示Mll3在調節棕色脂肪功能中的作用[47]。

組蛋白甲基化的調控因子-Pax蛋白相互作用的反式激活域是MLL4的組分之一，Cho等[48]報道此因子對于Pparγ和C/ebpα的基因表達是必須存在的，在小鼠胚胎成纖維細胞和前脂肪細胞的分化中也必須存在。脂聯素基因驅動cre條件性敲除Pax蛋白相互作用的反式激活域的小鼠，雖然體重與對照組相似，但棕色脂肪組織含量減少了50%，白色脂肪和棕色脂肪共同的基因及棕色脂肪特有的基因以及線粒體基因在棕色脂肪組織中的表達也減少[49]。由于棕色脂肪組織通過線粒體進行產熱，這些小鼠在冷刺激實驗中體溫下降更為顯著，提示Mll4對棕色脂肪細胞分化和功能有重要作用。

3.3.2H3K9 賴氨酸去甲基化酶3a(lysine deme-thylase 3a，KDM3a，又稱JHDM2a)可特異地催化H3K9的去甲基化。研究發現，Jhdm2a基因敲除的小鼠表現出肥胖表型[50]且能量消耗明顯下降[51]，同時棕色脂肪功能也發生變化，表現為線粒體基因表達減少及氧耗量下降。此外，在β腎上腺素刺激下，Jhdm2a在絲氨酸265(S265)位點上被蛋白激酶A磷酸化，增加與SWI/SNF染色質重塑復合物及與Pparγ的相互作用，除H3K9去甲基化外，發揮其他附加作用[52]。

植物同源結構域指蛋白2是一種H3K9me2的去甲基化酶，含有JmjC結構域。植物同源結構域指蛋白2可以促進小鼠脂肪積累[53]，在3T3-L1細胞敲除植物同源結構域指蛋白2后，Pparγ和C/ebpα的表達均明顯減少[54]。

賴氨酸特異性去甲基化酶1a(lysine specific demethylase 1a，KDM1a，又稱LSD1)是特異性介導H3K9me1/2去甲基化的另一種酶，通過與鋅指蛋白516的直接相互作用，將LSD1募集到產熱基因附近的H3K9位點，催化甲基移除，從而激活這些基因并促進體內產熱脂肪的功能[55]。在小鼠中使用Ucp1驅動Cre敲除Lsd1將損傷棕色脂肪細胞分化和功能，導致棕色脂肪“白色化”，即形成含單個脂滴的棕色脂肪細胞[56]。

常染色質組蛋白賴氨酸N-甲基轉移酶1(euchromatic histone-lysine N-methyltransferase 1，EHMT1)，催化H3K9二或三甲基化(H3K9me2/3)。在小鼠中由脂聯素驅動的Cre脂肪特異性敲除Ehmt1，導致小鼠背部棕色脂肪組織體積小、含量少，棕色脂肪細胞喪失多泡狀小脂滴的特征，表現為單個脂滴，棕色脂肪的適應性產熱及氧耗量減少。白色脂肪脂滴增大，小鼠出現肥胖、脂肪肝和全身胰島素抵抗，提示Ehmt1是控制棕色脂肪細胞分化和能量代謝的重要開關[57]。

常染色質組蛋白賴氨酸N-甲基轉移酶2(euchromatic histone-lysine N-methyltransferase 1，EHMT2，又稱G9a)，可以催化H3K9me2的形成[58]，與基因沉默有關。當使用G9a抑制劑或用小干擾RNA抑制mRNA時，可以通過增加Pparγ和C/ebpα的表達，并抑制Wnt10a的表達，最終使脂肪形成增多[59]。

3.3.3H3K27 多梳族基因是重要的表觀遺傳修飾基因家族，包括兩個重要的復合物類型：多梳蛋白抑制性復合物1和多梳蛋白抑制性復合物2。復合物2由果蠅zeste基因抑制因子12、胚胎外胚層發育因子等蛋白基團與果蠅zeste基因增強子的人類同源物2(enhancer of zeste homolog 2，EZH2)聚合而成[60]，EZH2是復合物2中唯一具有酶活性的催化亞基，含有SET結構域。多梳蛋白抑制性復合物2通過EZH2催化H3第27位賴氨酸(K)位點的一、二和三甲基化，H3K27甲基化后常導致基因的沉默[61-62]。H3K27me3形成后，多梳蛋白抑制性復合物1通過其亞基Chromobox同源物(CBX)識別H3的甲基化位點并與之結合，通過另一個催化亞基環指蛋白1催化組蛋白H2AK119發生單泛素化，抑制由RNA聚合酶Ⅱ催化的轉錄延伸反應，最終造成靶基因的轉錄沉默[63-64]。

目前所了解的H3K27去甲基化酶主要有賴氨酸特異性去甲基化酶6a[lysine(K)specific demethylase 6a，Kdm6a，因位于X染色體上，又稱UTX]和Kdm6b(又稱JMJD3)[65-66]。H3K27me2/3的甲基化平衡主要是由EZH2和JMJD3/UTX維持。UTX和 JMJD3均為含有JMJC結構域的蛋白，可以催化H3K27me2和H3K27me3的去甲基化。除含有 JMJC 結構域外，UTX還含有四肽重復基序，介導蛋白質-蛋白質相互作用。H3K27由JMJD3/UTX催化的去甲基化過程是在Fe2+、O2和α-酮戊二酸的輔助下，JMJD3的JMJC結構域催化H3K27me3中賴氨酸殘基的氨基發生羥基化，而后賴氨酸殘基脫下甲醛，形成去甲基化的賴氨酸殘基[67]。

實驗結果發現，在大部分胚胎干細胞中，Ezh2和H3K27me3修飾多聚集在生長和分化相關基因的轉錄調控區域[68]。研究表明，抑制Ezh2可以避免間充質干細胞向骨的分化，Ezh2介導間充質干細胞向骨或脂肪細胞分化方向的轉換[69]。在小鼠前脂肪細胞中，Ezh2和H3K27me3在多個Wnt基因(如Wnt1、Wnt6、Wnt10a)位點處聚集，通過抑制Wnt信號通路促進脂肪細胞生成，在小鼠白色和棕色前脂肪細胞的分化中發揮重要作用[70]。用Ezh2特異性酶活性抑制劑GSK126處理高脂飲食誘導的肥胖小鼠，可以通過增加米色脂肪細胞的分化并促進棕色脂肪細胞的功能，減輕小鼠體重，這些證據都表明Ezh2和H3K27me3對棕色和米色脂肪的分化具有潛在的重要作用[71]。

Utx在棕色脂肪細胞分化過程中發揮重要作用[72]。在β腎上腺素能神經遞質刺激下，Utx被招募到Ucp1和Pparγ共激活因子α啟動子區，降低H3K27me3水平，從而誘導產熱基因從抑制狀態到激活狀態的轉換。Jmjd3也可以促進棕色脂肪細胞的分化。過表達Jmjd3的小鼠體重減輕，而Jmjd3的敲除則降低了小鼠的寒冷耐受能力。Jmjd3還可以促進白色脂肪棕色化[73]。

4 小 結

對脂肪細胞，尤其是棕色和米色脂肪細胞分化調控的深入研究給肥胖等代謝性疾病的治療帶來了新的希望，然而利用棕色和米色脂肪的耗能治療肥胖仍處于研究階段，有大量的問題尚未解決。例如表觀遺傳調控因子可否作為棕色和米色脂肪細胞的分化和治療肥胖的靶點并開發安全、有效和具有特異性的藥物等。探索表觀遺傳調控因子對于小鼠脂肪細胞分化的影響，將為人類深入了解脂肪細胞分化和肥胖及其相關疾病的治療提供新的理論基礎。