生物鐘、棕色脂肪組織對動脈粥樣硬化的影響

吳昌華，袁子豪，張 金，韓東倩，劉 歡，周俏賢，駱文風，楊 春 （廣東醫(yī)科大學. 第二臨床醫(yī)學院；. 醫(yī)學檢驗學院；. 基礎醫(yī)學院；4. 解剖學教研室，廣東東莞 5808）

提 要：生物鐘的一些核心蛋白因子參與棕色脂肪組織(BAT)功能，BAT中腎上腺素能信號則影響生物鐘節(jié)律性。晝夜節(jié)律紊亂促進炎癥、高脂血癥和動脈粥樣硬化(AS)形成，而BAT含量或活性增加抑制AS。該文綜述了生物鐘、BAT對AS的影響。

動脈粥樣硬化(AS)在心血管疾病方面已困擾臨床工作者多年，盡管最近在治療方面取得了很大的進展，但效果并不理想。近年來，隨著全球對生物鐘和棕色脂肪組織(BAT)功能與代謝調節(jié)的研究進展的突破，同時研究發(fā)現(xiàn)，生物鐘和BAT都對AS的發(fā)生發(fā)展有著很大的影響。它們之間的相互作用與影響可以干擾AS的發(fā)生與形成，這似乎可以成為一個新的治療思路與途徑。我們就此通過研究生物鐘和BAT對AS的影響，減少AS的發(fā)生或影響AS的發(fā)展進程，從而更有效地預防和治療心血管疾病。

1 概述

生物鐘對日常代謝功能的調節(jié)，包括激素的釋放，睡眠喚醒周期，進食/禁食節(jié)律和瘦素分泌等的節(jié)律[1]。生物鐘的作用機制是通過視網(wǎng)膜接受外圍環(huán)境光刺激，將晝夜節(jié)律性的光信號傳輸?shù)轿挥谙虑鹉X的中央生物鐘視交叉上核(SCN)的和外周器官中的多個周圍生物鐘[2]。在SCN中激發(fā)中央蛋白的分子震蕩環(huán)路，其主要由CLOCK/BMAL1等正向調節(jié)因子和CRY/PER/REV-ERBα等負反饋因子組成，SCN會通過神經(jīng)調節(jié)和激素分泌的方式同步其他組織器官的生物鐘系統(tǒng)[3-4]。

棕色脂肪組織是一種內分泌器官，擁有將化學能轉化為熱能的能力。通過解偶聯(lián)蛋白1(UCP-1)介導的產熱過程消耗化學能。UCP-1基因表達由冷溫，交感神經(jīng)系統(tǒng)和β-腎上腺素能受體(βARs)高度誘導[5]。BAT的晝夜信號整合了來自SCN和腹內側下丘腦的輸入，形成了BAT葡萄糖攝取和能量消耗的生物節(jié)律[6]。

AS是大多數(shù)心血管疾病的病變基礎，可引起幾種臨床上重要的心血管疾病。當AS斑塊發(fā)展的不穩(wěn)定時，就容易破裂，從而導致中風、心肌梗死和猝死[7]。同時，AS也是一種以動脈壁脂質和白細胞積聚為特征的炎癥性狀態(tài)。當AS中的內皮功能障礙超過血管擴張能力時，會導致正常內皮的抗血栓形成、纖維蛋白溶解、抗炎和抗氧化等功能紊亂。

2 生物鐘與BAT

生物鐘、體溫調節(jié)和BAT活動之間存在著錯綜復雜的相互作用，生物鐘對新陳代謝有節(jié)律性調控作用，這使得營養(yǎng)利用和能量穩(wěn)態(tài)與晝夜節(jié)律相適應[3]。許多研究表明生物鐘參與BAT功能的發(fā)揮。一方面，視網(wǎng)膜的光輸入信號是連接中心時鐘和BAT功能的潛在組件，它可以傳遞到中心時鐘SCN的視網(wǎng)膜下丘腦束可以通過其神經(jīng)元投射刺激BAT的產熱活性[3]。鑒于光是SCN的主要同步線索，因此光的季節(jié)變化或過度暴露于人工照明對BAT活動產生嚴重影響并不奇怪[6]。另一方面，目前的研究結果表明，晝夜節(jié)律和冷調節(jié)網(wǎng)絡匯集在BAT的核受體逆轉ERBα(REV-ERBα)上，以建立和維持產熱節(jié)律性，同時使生物體更好地適應外部溫度的變化，而且REV-ERBα被證明可直接抑制UCP-1的表達和產熱能力[8]。有趣的是，UCP-1基因表達由冷溫交感神經(jīng)系統(tǒng)和β-腎上腺素能受體(βARs)高度誘導，βAR信號傳導對于維持基礎UCP-1表達并將BAT晝夜節(jié)律性與中心時鐘耦合是必要的。β-腎上腺素能受體控制棕色脂肪UCP-1基調和冷反應而不影響B(tài)AT的晝夜節(jié)律性。這一發(fā)現(xiàn)還暗示βAR介導的信號傳導優(yōu)于同樣調節(jié)產熱的生物鐘組分REV-ERBα[5]。

一些主要的時鐘基因會對BAT的分化發(fā)育產生促進或抑制效果，其中BMAL1、PER和REV-ERBα可直接與BAT形成級聯(lián)相互作用以調節(jié)BAT形成[3]。BMAL1通過調控細胞分化信號通路關鍵組分轉化生長因子β(TGFβ)和骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的直接轉錄來抑制棕色脂肪生成；BMAL1激活TGFβ或抑制BMP途徑來達到抑制棕色脂肪生成。REV-ERBα的分化增強促進棕色脂肪組織發(fā)育和形成[9]。這為以后研究REV-ERBα激動劑增加能量消耗，降低脂肪、血漿TG和膽固醇的含量，從而改善血脂異常，為減少肥胖的發(fā)生提供了可能[10]。

已有報道稱，時鐘基因是由交感神經(jīng)系統(tǒng)通過刺激棕色脂肪細胞分泌的腎上腺素能信號來調控的。b-腎上腺素能信號傳導是誘導BMAL1響應冷暴露所必需的。例如在體內和體外培養(yǎng)的棕色脂肪細胞中，通過冷暴露和β-腎上腺素能激活誘導BMAL1的表達，提示BMAL1的表達可能是腎上腺素能信號的直接靶點[11]。而BMAL1是核心分子時鐘機制的必需正調節(jié)因子，缺乏BMAL1的小鼠嚴重破壞了生物鐘的功能[3,12]。也就是說，機體可以通過棕色脂肪腎上腺素能信號進而影響整個生物鐘的節(jié)律性。在BAT產熱功能方面，BMAL1會促進其產熱，REVERBα則會抑制其產熱。而在BAT的分化形成方面，兩者功能是相反的，REV-ERBα會促進BAT的分化發(fā)育而BMAL1則起到抑制作用。

3 生物鐘與AS

有文獻表明，心肌梗死和中風的發(fā)病與時間有關，并在清晨達到高峰，從而提示了生物鐘可能對調節(jié)斑塊穩(wěn)定性的過程產生影響[4]。

晝夜節(jié)律紊亂會導致血管損傷，加重AS。BMAL1 基因是生物鐘的核心基因。在小鼠中，BMAL1基因的缺失會破壞生物鐘相關的振蕩基因表達和行為節(jié)律性的一致性[13]。研究表明，用的BMAL1在血脂和AS的調節(jié)中起重要作用[14]。實驗中，BMAL1-/-APOE-/-和L-BMAL1-/-APOE-/-小鼠的高脂血癥和AS明顯高于APOE-/-小鼠[14]。腺病毒介導L-BMAL1-/-APOE -/-和APOE-/-小鼠肝臟BMAL1的過度表達可降低高脂血癥和AS的發(fā)生[14]。BMAL1的缺乏也會導致腸道膽固醇吸收增多增加高脂血癥的發(fā)生[15]，進而促進AS的形成。BMAL1的表達下調也與組蛋白去乙酰化酶(SIRTUIN1，SIRT1)功能缺失有關，SIRT1對BMAL1可能有正反饋調節(jié)作用[16]。同時SIRT1的活性也有晝夜變化，它在AS中起著重要的保護作用[17]。通過光照異常促進斑塊形成，引起SIRT1水平的紊亂以及晝夜振蕩紊亂，甚至加劇脂質代謝基因和時鐘基因紊亂[18]。因此，SIRT1的表達障礙可能促進AS的形成。又或者是SIRT1功能異常導致了BMAL1的表達障礙或缺乏，從而促進小鼠AS的形成。

同時，AS也是一種慢性炎癥狀態(tài)，內皮功能的障礙和粘附分子的增加可引起AS斑塊的形成。研究表明，核心時鐘蛋白BMAL1和CLOCK可影響AS病變的炎癥過程[4]。CLOCK-/-APOE-/-小鼠的巨噬細胞攝取更多的修飾脂蛋白并抑制膽固醇外流，從而促進AS形成。BMAL1的表達異常會抑制胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)的分泌[19]。而GLP-1具有抗氧化和抗AS作用，可促進炎癥細胞中的GLP-1受體大量表達從而影響AS過程。晝夜節(jié)律不僅影響全身AS介質，還調控血管內皮細胞，進而對AS產生影響。研究發(fā)現(xiàn)，人AS斑塊中BMAL1的缺失與內皮-間充質轉變生成和斑塊易損性呈正相關[20]。

研究表明，AS小鼠的脂質代謝相關基因表達的改變，會導致晝夜節(jié)律基因表達紊亂[18]。循環(huán)脂質包括膽固醇、甘油三酯和含載脂蛋白B的低密度脂蛋白，都顯示了脂肪喂養(yǎng)動物的晝夜節(jié)律波動[21]。Pan等[15]發(fā)現(xiàn)在低密度脂蛋白受體缺乏背景下產生的高脂喂養(yǎng)的時鐘突變小鼠膽固醇代謝受損和AS增強。也有研究表明，氧化型高密度脂蛋白的減少與冠狀動脈鈣化降低有關，說明氧化型高密度脂蛋白是預防AS的潛在靶點[22]。這為治療AS提供了一個很好的方向。總而言之，晝夜節(jié)律紊亂會促進炎癥、高脂血癥和AS的形成。

4 AS與BAT

已有實驗比較了活躍棕色脂肪組織(ABAT)患者與對照組的各種臨床因素，證明了ABAT可降低動脈炎癥反應，對AS的發(fā)生具有一定的保護作用[23]。嚴重的棕色脂肪組織萎縮會加速AS的過程，其特征是顯著增加脂質蓄積、AS的覆蓋范圍、病變的大小和復雜性、巨噬細胞浸潤以及促炎標志物的表達。特異性激活BAT β3-AR(腎上腺素能受體)激動劑CL316，243可同時抑制高脂血癥和AS的發(fā)展[24]。這是通過增加BAT對TRL(富含甘油三酯的脂蛋白)中TG-derived FA(活性脂肪酸)的攝取，形成膽固醇含量高的脂蛋白殘體，隨后加速肝細胞清除富含膽固醇的殘留物，最終降低膽固醇水平防止AS[24]。

棕色脂肪組織(BAT)能分泌眾多細胞因子參與調節(jié)AS。成纖維細胞生長因子21(FGF-21)是棕色脂肪細胞分化的關鍵調節(jié)因子，主要是通過增強UCP 1的表達來實現(xiàn)的。此外，在暴露于寒冷或運動后，F(xiàn)GF-21誘導局部過氧化物酶體增殖物激活受體γ-α(PGC)-1-α上調，從而促進脂肪組織和骨骼肌的熱發(fā)生。FGF-21整合多條允許調節(jié)人體能量平衡、血糖水平和脂代謝的途徑[25]。由活化的內源性BAT產生和釋放的血清FGF-21的增加可以抑制AS，同時升高iWAT(肩胛區(qū)間白色脂肪組織)釋放的血清脂聯(lián)素。用β3-AR阻斷劑治療完全消除了BAT移植的AS保護作用，同時血清FGF-21和脂聯(lián)素水平降低。BAT移植引起的BAT活化通過AR介導的FGF-21脂聯(lián)素軸的激活，減弱APOE-/-小鼠中的AS發(fā)展[26]。

PRDM16是控制脂肪前體細胞向BAT細胞分化的一個關鍵轉錄調控因子。PRDM16能通過與轉錄共激活物PGC-1α相互作用，促進BAT特異性基因的表達，增強BAT的活性[27]。轉染PRDM16能誘導動脈周圍棕色脂肪功能活化，抑制炎癥因子的表達，從而具有抑制炎癥功能的脂聯(lián)素水平升高，抑制斑塊形成。肥胖機體中炎性因子的上調會誘發(fā)BAT特異性基因UCP-1、PGC-1α、PRDM16的表達減少，降低BAT的活性[28]。因此，肥胖會引起心血管疾病的發(fā)生，以脂肪組織(包括血管周圍脂肪組織)的異常堆積為特征。肥胖時，WAT釋放脂肪酸增加，BAT和胸廓PVAT(血管周圍脂肪組織)脂質燃燒減少，導致高脂血癥，AS的發(fā)生，同時，肥胖的WAT和腹部PVAT釋放促炎因子，進一步促進AS[29]。為了阻止AS的發(fā)展，通過激活BAT來增加脂肪酸燃燒和減少炎癥的治療方法可能是有效的[29]。

5 小結與展望

本篇綜述著重探討了生物鐘、BAT以及AS三者之間的關系，并試圖通過尋找它們之間的聯(lián)系去搭建起一條從理論到臨床運用的可行路徑。生物鐘可以通過核心基因和時鐘蛋白因子BMAL1及相關炎癥的發(fā)生去影響AS的發(fā)展水平和BAT的分化形成以及功能的發(fā)揮。BAT產熱耗能有助于降低體內脂肪含量，似乎可以達到預防AS和肥胖發(fā)生的目的。從三者的關系上看，BAT與AS的形成有著不可分割的關聯(lián)，但是具體的機制是如何還尚未清楚。就目前而言，生物鐘是BAT和AS之間關系的重要組分。嚴重的棕色脂肪組織萎縮會加速AS的過程，會促進促炎標志物的表達。有趣的是，晝夜節(jié)律的紊亂也可以影響炎癥的發(fā)生過程，從而促進AS的形成。晝夜節(jié)律是否可以通過影響B(tài)AT的適應性改變進而影響AS的生成是一個值得探索的路徑。