激活白色脂肪棕色化相關因子的研究進展

王愛超，吳華，莫晨玲

(1.青海大學 農牧學院，青海 西寧 810016；2. 青海省第四人民醫院 呼吸科，青海 西寧 810000)

隨著經濟的快速發展和物質生活水平的提高，肥胖的患病率逐漸升高，成為一種流行病，引起高脂血癥、高血壓和動脈粥樣硬化等各種代謝綜合征[1]。人體內的脂肪組織主要分為兩種類型：白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)和棕色脂肪組織(brown adipose tissue，BAT)。白色脂肪主要行使儲存能量的功能，而棕色脂肪可以通過非顫栗性產熱消耗能量，研究發現某些白色脂肪可以發揮棕色脂肪消耗能量的功能，這種棕色化的特殊白色脂肪被稱為米色脂肪[2]。米色脂肪的發現為治療多種肥胖及其相關代謝綜合征提供新的思路。激活白色脂肪棕色化的過程除了受寒冷和運動等因素的影響，還受營養物質、轉錄因子和蛋白質的調節，本文就激活白色脂肪棕色化相關因子的進展進行綜述。

1 營養物質

1.1 芝麻酚芝麻酚是一種脂溶性木脂素化合物，是芝麻油的重要香氣成分。此外，它還是芝麻油重要的品質穩定劑，具有廣泛的生物活性，如抗氧化和清除自由基。芝麻酚抑制白色脂肪生成基因過氧化物酶體增殖激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor -gamma，PPAR-γ)、乙酰輔酶A羧化酶 (acetyl-coenzyme A carboxylase，ACACA)、固醇調節元件結合蛋白1c(sterol regulatory element-binding proteins-1c，SREBP-1c)和脂肪酸合成酶基因(fatty acid synthase gene，FASN)的mRNA水平，并抑制BAT中脂滴數量與體質量的增加，BAT標志基因過氧化物酶體增殖物受體共激活因子-1α(peroxisomeproliferator-activated receptor-coactivator-1α，PGC-1α)、解偶聯蛋白-1(uncoupling protein1，UCP-1)、成纖維細胞生長因子21(fibroblast growth factor-21，FGF-21)和細胞色素C氧化酶Ⅱ(cytochrome C oxidase Ⅱ，COXⅡ)等的表達水平升高，線粒體中的過氧化物酶體增殖劑激活受體α(peroxisome proliferator-activated receptor-α，PPAR-α)和肉堿棕櫚酰轉移酶1α(carnitine palmityl transferase 1α，CPT1α)等脂質代謝基因mRNA水平增加，白色脂肪棕色化發生在WAT中，脂肪消耗增加[3]。研究發現3T3-L1前脂肪細胞受MDI誘導分化的過程中，芝麻酚顯著抑制了3T3-L1前脂肪細胞的的分化和細胞內脂滴的積累。

1.2 鞣花酸鞣花酸是一種重要的天然多酚，廣泛存在于植物組織中，具有抗氧化、抗癌等多種藥理作用。在維持細胞活力的條件下，鞣花酸抑制細胞周期蛋白A的蛋白質表達，從而抑制3T3-Ll前體脂肪細胞中脂肪的形成[4-5]。研究發現，鞣花酸通過抑制脂肪細胞分化關鍵基因PPARγ和轉錄因子CCAAT增強子結合蛋白α(CCAAT-enhancer binding proteinα，C/EBPα)的表達，抑制甘油三酯在脂肪細胞中聚集[5]。寧超[4]研究發現，鞣花酸可抑制高脂飲食誘導的大鼠脂質積聚，下調脂質合成相關蛋白中PPARγ、C/EBPβ和C/EBPα的表達，上調WAT中BAT標志蛋白UCP-1和PGC-1α的表達，抑制前體脂肪細胞向成熟脂肪細胞轉化，促進白色脂肪棕色化。余煊等[6]研究發現，石榴鞣花酸可以促進脂質代謝，降低細胞內脂質水平，抑制脂蛋白脂酶(lipoprotein lipase，LPL)和葡萄糖-3-磷酸脫氫酶(glucose-3-phosphate dehydrogenase，GPDH)的活性，從而抑制脂肪細胞中脂肪的形成，并且上調PPARγ和脂肪酸結合蛋白(adipocyte fatty acid binding protein，aP2)，下調肥胖基因ob。劉潤[7]研究發現，石榴鞣花酸對脂質代謝的影響主要是通過抑制SREBP-1c、FASN mRNA的基因表達，促進LPL mRNA的基因表達，實現降低脂肪的功能。

2 代謝產物

2.1 鳶尾素(irisin)30 kD大小的irisin是一種分泌膜蛋白，由1個親脂性結構域、1個信號肽和2個纖維蛋白結構域組成，是由Ⅲ型纖連蛋白組件包含蛋白5(fibronectin type Ⅲ-domain containing protein 5，FNDC5)切除形成的小分子多肽[8-10]。研究表明，重組Irisin可促進大鼠原代脂肪細胞和成熟3T3-L1脂肪細胞向棕色脂肪細胞的轉化，在人成熟脂肪細胞中發生相同的現象。Irisin促進PGC-1α水平升高，PGC-1α促進UCP-1的生成，三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)的合成水平升高，細胞中線粒體的數量增加，同時促進了血管的增生和轉換肌纖維型等[9,11]。另有研究表明，irisin作用于WAT，WAT細胞膜表面可能存在irisin受體，通過影響胞外信號相關激酶ERK的信號通路，同時介導p38絲裂原活化蛋白的磷酸化，上調棕色脂肪相關基因細胞死亡誘導DNA斷裂因子α類似效應A(spermatozoal cell death-inducing DNA fragmentation factor-α-like effector A，Cidea)、細胞色素c氧化酶亞型7α(Cytochrome c oxidase subtype 7α，Cox7α)及米色脂肪相關蛋白跨膜蛋白26(transmembrane protein 26，TMEM26)的表達，促進白色脂肪棕色化[9,12]。若用抑制劑阻斷p38 MAPK和ERK信號通路，UCP-1的水平不升高。研究表明，irisin可以升高激素敏感性脂肪酶(hormone-sensitive lipase，HSL)的表達水平，同時降低脂滴包被蛋白(perilipin)的表達水平，證明irisin通過cAMP-PKA-HSL/perilipin 途徑增強脂解作用[13]。

2.2 糖皮質激素(glucocorticords，GC)GC是調節機體代謝的重要因子，GC促進脂肪細胞的分化，增加甘油三酯的合成，抑制脂解，同時促進脂肪蓄積，導致機體代謝紊亂。研究發現，GC可使棕色脂肪細胞的特異性功能基因UCP-1水平顯著下調，但當給予抑制劑RU486后，棕色功能基因如UCP-1的表達水平顯著增加。通過體內和體外以及病毒感染活性GC的研究表明，棕色化功能蛋白UCP-1和PR結構域蛋白16 (PR domain containing 16，PRDM16)在小鼠白色脂肪細胞中的表達受到抑制，白色脂肪細胞的耗氧量也受到抑制。GC通過miR-27b的上游啟動子區域的糖皮質激素反應元件(GRE)結合區調節miR-27b的表達，miR-27b可以通過PRDM16基因3’-UTR上的預測作用位點來抑制其靶基因PRDM16的表達，反過來又降低了白色脂肪的棕色化功能，這是GC抑制白色脂肪棕色化的可能分子機制。miR-27b通過作用于人的脂肪細胞中的靶基因PPARγ來抑制白色脂肪細胞的分化和成熟[14]。

2.3 神經調節蛋白4(neuregulin 4，NRG4)神經調節蛋白共有4種，屬于細胞外配體的表皮生長因子家族，在調節細胞生長和腫瘤形成的過程中發揮重要作用[15-16]。NRG4主要在BAT中表達和分泌。NRG4被蛋白酶水解產生細胞外片段，細胞外片段不僅具有表皮生長因子樣的結構域，還可以通過自分泌、旁分泌或內分泌等方式通過血液循環抵達靶細胞，從而對靶細胞發揮作用[17]。NRG4基因敲除小鼠實驗表明，NRG4通過脂肪細胞分泌，直接作用于靶組織肝臟，NRG4抑制肝細胞脂合成代謝，在BAT中合成的NRG4在蛋白酶和胞外活性蛋白片段裂解的共同作用下，形成的胞外片段與肝細胞表面v-erb-b2禽紅細胞白血病病毒致癌基因同源物4(v-erb-b2 avian erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 4，Erb B4)受體結合，肝X受體(liver X receptors，LXR)活性被抑制的同時，細胞內的轉錄激活因子5(signal transducers and activators of transcription 5，STAT5)被激活并磷酸化，SREBP-1c表達也明顯降低，這些因子的變化使與脂肪酸合成密切相關的乙酰輔酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase、ACC)、固醇酰輔酶A脫氫酶1 (atearoyal-coenzyme A desaturase 1，SCD1)和FASN轉錄減少，肝細胞的脂質合成從源頭上被抑制，但NRG4對脂質的輸出、攝入和氧化等無明顯影響[18-19]。NRG4通過限制脂肪肝的產生來控制能量平衡，不過目前還不能確定NRG4在BAT發生發展中的作用。NRG4在治療脂肪肝產生和胰島素抵抗等方面有重要作用，同時在白色脂肪棕色化方面有巨大潛力[17]。

2.4 MicroRNAs(miRNAs)微小RNA(miRNAs)是非編碼內源性小分子，在進化上保守且長度為18～25個核苷酸，在生物體中無處不在，在生理和病理過程中起重要作用[20]。miRNA在調控基因表達、細胞發育、分化和凋亡中起重要作用，因為通常情況下，miRNAs可以對含有互補靶序列的信使RNA進行阻遏、翻譯和降解。miRNAs通過在轉錄期間或之后與信使RNA的3’端非翻譯區不精確的互補配對來調節mRNA表達或抑制翻譯起始，miRNAs在脂肪的各種進程中都發揮著重要作用，包括脂肪細胞的增殖、分化和棕色化。目前已經證實與棕色脂肪及白色脂肪棕色化有關的miRNA主要有miR-193b-365、miR-196a和miR-133等[20]。MiR-129-5p是重要的腫瘤抑制因子，也在脂肪細胞中起作用，MiR-129-5p在小鼠腦、皮下WAT和BAT中表達較高。近期研究發現，miR-129-5p的過表達顯著抑制Ras-GTP酶激活蛋白Src同源結構域3結合蛋白1(Ras-GTPase-activating protein SH3 domain binding protein，G3BP1)基因mRNA和蛋白質的表達水平，通過靶向G3BP1影響下游p38信號通路，在分子和細胞水平上顯著抑制了3T3前體脂肪細胞的增殖，但不影響脂肪的分化過程，同時脂肪細胞棕色化過程在分子水平上受到抑制，冷刺激后BAT和皮下WAT中的miR-133表達下降，被miR-133負性調節的PRDM16抑制了前脂肪細胞分化為成熟的BAT，脂肪細胞中的線粒體活性降低[20]。

2.5 周期蛋白依賴性激酶6(cyclin-dependent kinase 6，CDK6)周期蛋白依賴性激酶家族有8種，在細胞繁殖分化過程中扮演重要的角色。其中CDK6在調節細胞周期的同時，也通過runt相關轉錄因子1(runt-related transcription factor 1，RUNX1)調控細胞的基因轉錄，從而影響脂肪和相關代謝疾病的發展[21]。與正常飲食相比，高脂肪飲食會使小鼠體內的CDK6蛋白水平升高[22]。CDK6激酶活性喪失的K34M小鼠對高脂肪飲食誘導的肥胖具有抗性，并且改善了胰島素的敏感性和葡萄糖的耐受性，同時CDK6激酶的喪失增加了小鼠的能量消耗，促進了白色脂肪棕色化[21]。食物的攝入導致細胞周期蛋白D1和CDK6的表達，從而激活CDK6[23]。這引起典型的級聯事件發生，Notch1和AKT1被激活，Notch1通過增強細胞周期蛋白D3來激活和上調CDK6，AKT1通過穩定細胞周期蛋白D2來激活CDK6[24]。CDK6和其他激酶如ERK和CDK1磷酸化RUNX1，促進RUNX1蛋白質降解，從而導致UCP-1和PGC-1α近端啟動子附近RUNX1不能及時補充，最終導致特異性棕色脂肪蛋白表達水平的降低[25]。在新陳代謝疾病方面，相對于磷酸化PGC-1α和胰島素底物受體2的周期蛋白依賴性激酶4(cyclin-dependent kinase 4，CDK4)，CDK6是一個更好的靶點，CDK4的缺乏會使胰β-細胞增長緩慢，導致胰島素缺乏，發生糖尿病，CDK6對胰酶無明顯影響，缺乏CDK6可以增加能量的消耗，并且改善葡萄糖耐受性和胰島素敏感性[26]。CDK6激酶活性可能為代謝疾病的控制提供新的思路，并可能成為肥胖相關代謝疾病(如2型糖尿病)更好的治療靶點。

3 脂肪因子：瘦素(Leptin)

Leptin由ob基因編碼，是WAT分泌的脂肪因子，Leptin最主要的功能是抑制食欲。唐冬梅等[27]研究發現，限食的同時注射瘦素，可共同發揮增強脂肪分解代謝的作用，這種作用與抑制PPARγ蛋白的表達相關。瘦素抵抗的原因有很多，其中被廣泛認可的原因有兩個，一個原因是瘦素沒有到達作用靶點，另一個原因是瘦素在細胞內的級聯被抑制或者破壞。Leptin可以調節UCP1的表達，大鼠注射Leptin后可不同程度提高白色脂肪組織UCP1和UCP2的表達水平[28]。研究發現，在白色脂肪組織細胞培養液中，100 μg·L-1的Leptin使UCP2的mRNA水平上升63%，Leptin降低脂肪的作用可能是促進解耦聯蛋白的表達[29]。

4 納米顆粒的影響及納米技術的應用

隨著納米材料在工業和日常生活中的廣泛應用，人們暴露于納米顆粒的可能性明顯增加。空氣中顆粒物的污染不僅危害呼吸道和肺功能，而且與代謝性疾病密切相關，細顆粒物PM2.5顯著激發白色和棕色脂肪細胞的氧化應激，引起胰島素抵抗等代謝紊亂性疾病[30-31]。研究表明，通過單次氣管內滴注納米SiO2對大鼠進行吸入染毒試驗，在透射電子顯微鏡下觀察，棕色脂肪細胞中脂滴邊緣有黑色顆粒存在。納米SiO2顆粒的暴露導致白色脂肪細胞毒性反應和炎癥因子基因的表達增加，并顯著抑制低溫誘導的分泌性產熱基因的表達。冷暴露下，脂肪細胞的炎癥損傷更嚴重，表明納米顆粒鈍化棕色和白色脂肪的冷誘導重塑，對脂肪組織的產熱與分泌功能有潛在影響[32]，這種現象的具體機制需要進一步的探索。研究發現，將促棕色化激素羅格列酮作為親水性內核，外層包裹白色脂肪血管靶定肽iRGD(CRGDK/RGPD/EG)和P3(CKGGRAKDC)的疏水性外殼，制成納米顆粒。用這種納米顆粒處理小鼠后，小鼠出現白色脂肪棕色化，能量消耗增加，體質量減輕[33]。因為該靶向肽具有白色脂肪特異性，對其他組織無副作用，但羅格列酮有增加心肌梗死風險和心血管疾病死亡率的局限性，今后可以開發出效果更好的激動劑，納米顆粒包裹后治療肥胖等疾病[34]。

5 結語與展望

白色脂肪棕色化是一個復雜的過程，受多種營養物質和代謝產物調節，相關信號通路也受到影響。白色脂肪棕色化的過程受UCP-1、PPARγ和PGC-1α等調節因子的調控，理論上通過誘導和激活生成米色脂肪來增加產熱基因PGC-1α等，可以治療多種肥胖及其相關代謝綜合征。根據相關原理，人類已經研制出治療肥胖癥的藥物，這些藥物通過誘導白色脂肪棕色化來增加機體能量消耗，促進機體能量代謝平衡。但這些藥物在動物體內實驗，尤其是嚙齒類動物，在促進白色脂肪棕色化時還有其他作用，有待進一步驗證，運用到人類身上更有一段距離。