PRDM16與肥胖關系的研究進展

張睿 綜述 黃啟亞 審校

廣州醫科大學附屬第六醫院(清遠市人民醫院)內分泌科，廣東 清遠 511500

近年來，肥胖的患病率呈快速上升趨勢，已經成為全球性公共衛生問題。2016年，在全球范圍內，18歲及以上的成年人中39%的男性和40%的女性達到超重水平，總人數達近20億；11%的男性和15%的女性達到肥胖水平，總人數超過5億，超重和肥胖人數在過去40年里呈現出明顯的上升[1]。因此，如何有效控制并逆轉肥胖成為了研究熱點。近年有研究發現PR結構域蛋白16(PRDI-BF1 and RIZ homology domain containing protein，PRDM16)具有激活棕色脂肪組織特異性的生熱程序，提高其線粒體密度，促進解偶聯蛋白-1(uncoupling protein-1，UCP-1)的表達，增加能量消耗的作用；而肥胖患者PRDM16基因表達明顯下降，提示其與肥胖的關系密切。本文以PRDM16為切入點，分析PRDM16的功能、回顧PRDM16與肥胖關系的新進展，以期為肥胖癥及相關代謝性疾病的治療提供新思路。

1 脂肪組織的分類、分布及功能

哺乳動物體內的脂肪組織分三類：白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)、棕 色 脂 肪 組 織(brown adipose tissue，BAT)和米色脂肪組織。人體脂肪組織以WAT為主且占大部分，其中15%分布于腹腔內。在腹腔內，主要分布于胃、腸、肝和腎等臟器之間，內臟、腸系膜和腹膜后均有大量WAT儲存；另外85%的WAT主要分布于皮下組織，尤以臀部、大腿和下腹部分布較多[2]。BAT在人體內較少[3]，其主要分為胸內區、內臟區和皮下區。在胸內區，BAT位于主動脈、頸總動脈、心靜脈和頭臂動脈等血管周圍，以及心臟、氣管、肺和食管等中空組織；在內臟區，BAT圍繞結腸等中空組織，以及胰腺、腎臟、腎上腺、肝臟和脾臟等實體器官；在皮下區，BAT位于頸內肌、鎖骨區、前腹壁和腹股溝區之間[4-8]。而米色脂肪細胞則來源于WAT中的各種前體細胞，呈簇狀分布在WAT所在的區域內[9]。

WAT以甘油三酯的形式儲存能量，而BAT和米色脂肪組織以產熱功能為主。WAT細胞脂滴大，具有以下功能：當機體能量不足時以甘油三酯的形式釋放脂肪酸，通過脂肪酸氧化提供能量；分泌瘦素、腫瘤壞死因子α等參與2型糖尿病等疾病的發生發展過程；保護臟器及保溫功能[10]。經典BAT細胞有多個小脂滴，主要功能是非顫抖性產熱，UCP-1是其標志物，產熱時消耗大量脂肪和葡萄糖，通過UCP-1氧化磷酸化解偶聯作用將能量以熱量形式釋放而不形成ATP。米色脂肪細胞形態、功能等介于WAT和經典BAT之間，其可能來源于白色脂肪組織中的前棕色脂肪細胞[11]、前白色脂肪細胞[12]、已存在的白色脂肪細胞[13]和骨骼肌前體細胞[14]；米色脂肪細胞在寒冷、藥物等刺激下可轉變為棕色脂肪細胞，但米色脂肪細胞不表達與經典BAT相關的轉錄因子(如PRDM16)[2]。

2 PRDM16與肥胖的關系

如前所述，BAT能通過UCP-1的氧化磷酸化解偶聯作用來發揮其獨特的產熱功能，而PRDM蛋白家族中的PRDM16蛋白在BAT的活化過程中起著重要作用。PRDM蛋白家族由17個成員組成，在結構上由保守的N端PR[PRDI-BFI(正向調節結構域I-結合因子1)和RIZ1(視網膜母細胞瘤蛋白相互作用的鋅指基因1)]結構域和數量不等的鋅指組成[15]。PRDM蛋白作為轉錄調節器，通過內在的染色質修飾活動或通過招募輔助因子和染色質修飾因子來調節細胞的增殖和分化[16-17]。其中，PRDM16基因由MOCHIZUKI等[18]在研究骨髓增生異常綜合征(myelodysplastic syndromes，MDS)和急性髓細胞性血病(acute myelogenous leukemia，AML)過程中發現。PRDM16蛋白被認為是棕色和米色脂肪中生熱脂肪細胞選擇性基因程序的關鍵調控因子[19]。

齊亞楠等[20]選取SD雄鼠建立肥胖大鼠模型，取大鼠睪丸及睪周脂肪組織稱重，兩者在肥胖組中均明顯高于正常組，實時熒光定量PCR和Western Blot檢測肥胖組睪丸及睪周組織中PRDM16蛋白表達量及mRNA表達量，較正常組均明顯降低，從而推測PRDM16與肥胖存在聯系。

PRDM16鋅指蛋白不是直接與DNA結合起作用的，PRDM16先與典型的DNA結合轉錄因子如CCAAT/增強子結合蛋白β(CCAAT/Enhancer-binding proteinβ，C/EBPβ)、過氧化物酶體增殖物激活受體-γ(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR γ)結合形成轉錄復合物，通過鋅指結構選定并且激活BAT選擇性基因程序，從而提高線粒體密度，促進UCP-1的表達[21]；同時，PRDM16通過與羧基末端結合蛋白(C-terminal binding protein，CtBP1和CtBP2)結合形成轉錄抑制復合物，從而使WAT基因沉默[22]。有研究指出，PRDM16除了能夠直接轉錄激活棕色脂肪特異性基因外，還能通過抑制Ⅰ型干擾素(typeⅠinterferon，Ⅰ型IFN)反應來加強和維持棕色脂肪的特性。Ⅰ型IFN信號的激活會破壞棕色和米色脂肪細胞線粒體的結構和功能從而降低其產熱功能，而PRDM16能夠作用于Ⅰ型IFN受體的下游，抑制Ⅰ型IFN的轉錄反應，并保護脂肪細胞中的線粒體基因表達。然而，Ⅰ型IFN信號的激活降低線粒體功能的機制尚不清楚[20]。另有報道表明，棕色脂肪細胞和肌細胞起源自相同的表達Myf5的前體細胞，而PRDM16則決定了Myf5前體細胞分化的方向，實驗敲除小鼠棕色脂肪前體細胞中的PRDM16基因，棕色脂肪前體細胞便轉化為肌細胞[23-24]。

詹芳芳等[25]通過snapshot或連接酶檢測技術對超重肥胖組和正常組對象PRDM16基因相關位點進行了檢測，結果顯示PRDM16基因rs2651899位點的等位基因A以及單倍體型AAT可能促進超重肥胖發生，而單倍體型GAC、GCT可能抑制超重肥胖發生，這說明PRDM16不同基因位點之間存在相互作用，或協同或拮抗，進而影響肥胖的發生發展。此外，LIU等[26]通過實驗發現，正常體質量組BAT中的chr1：2987450的甲基化水平低于超重/肥胖組，CpG甲基化能夠抑制PRDM16的轉錄活性，下調其表達，從而抑制了BAT的生熱程序，減少了產熱，導致熱量儲存為WAT增加了體質量，然而，在腹部皮下脂肪組織(subcutaneous adipose tissue，SAT)的chr1：2987447和網膜脂肪組織(omental adipose tissue，OAT)的chr1：2986395中，正常體質量組甲基化水平反而更高，其復雜機制尚未明確，這也說明了PRDM16的表達調控不是單個位點的變異，而是多個位點的變異組合。

孫盼盼等[27]采集腹部手術研究對象術前空腹靜脈血，通過Sequenom質譜法檢測PRDM16基因啟動子區CpG位點甲基化水平，結果顯示超重肥胖組PRDM16基因啟動子CpG26.27位點甲基化與BMI正相關，但引起甲基化狀態改變的機制尚不清楚。PRDM16能與PPAR γ輔激活因子-1α和輔激活因子-1β(PGC-1α和PGC-1β)結合從而促進棕色脂肪細胞分化相關基因的表達，提高線粒體密度、UCP-1的表達，同時PRDM16還與CtBP1、CtBP2結合抑制白色脂肪細胞分化相關基因的表達，如抵抗素和絲氨酸鈦酶抑制因子3ak(serpin3ak)的表達，而當PRDM16高度甲基化時便不能與上述轉錄因子結合從而影響棕色脂肪組織的形成。本研究局限性在于甲基化檢測是在血液中而不是脂肪組織中進行的，因此仍需進一步研究。類似的，妊娠期肥胖母親飲食補充甲基供體可降低后代肥胖率[28]、腹腔脂肪組織TNF-α甲基化可能是致肥胖因素[29]、瘦素基因啟動子甲基化程度的降低能促進瘦素表達以對抗肥胖[30]，這些研究在一定程度上表明了PRDM16甲基化與肥胖存在聯系。

棕色脂肪組織代謝主要的能量來源是儲存在棕色脂肪細胞中的脂肪酸，小部分來自血漿中的葡萄糖，而這種對血漿葡萄糖的攝取清除作用已被證明對糖尿病的治療有幫助[9]。SEALE等[31]的研究表明，PRDM16轉基因小鼠表現出能量消耗增加、體質量增加受限以及對葡萄糖耐量提高的特點，揭示了PRDM16對于治療肥胖及其相關疾病的潛在價值。

值得注意的是，近年來研究發現，除了PRDM16以外，其他的一些PRDM家族成員同樣與肥胖存在密切關系，如PRDM1[19]、PRDM2[32-33]、PRDM3[15]、PRDM4[14]、PRDM12[34]等都有報道。有研究指出，當棕色脂肪中PRDM16缺失時，同樣存在于棕色脂肪中的PRDM3會起到補償作用，當PRDM16和PRDM3同時缺失時，會使動物體內的棕色脂肪的形成過程在早期出現嚴重的缺陷[15]。有分子數據表明，PRDM3可通過與MED1(Mediator復合物的一個組成部分)相互作用，從而改變棕色脂肪基因特異性啟動子的染色質結構，而這個機制與PRDM16相似[35]。因此既往的一些小鼠基因敲除實驗只敲除PRDM16來探究其作用時，可能會因為PRDM3代償效應的存在而影響其實驗結果的準確性。這些與肥胖癥具有密切聯系且可能存在相互作用的PRDM蛋白家族成員，需要進一步的研究加以分析與鑒別。

3 PRDM16在肥胖治療中的進展

鑒于生熱脂肪組織及其相關基因與肥胖的密切關系，近年來人們致力于通過促進生熱相關脂肪組織的激活、促進白色脂肪細胞棕色化等途徑來探索治療肥胖的有效途徑，并取得了許多前所未有的進展。

楊星雅等[36]進行了一項針對不同運動方式對大鼠棕色脂肪組織形態及功能的影響的研究，該實驗通過HE染色觀察脂肪組織形態，使用熒光定量PCR檢測棕色脂肪組織相關基因PRDM16、PGC-1α及UCP-1的mRNA水平，并用Western-blot檢測其相應的蛋白水平，最終發現，有氧訓練后PRDM16的mRNA水平是對照組的1.78倍，差異具有統計學意義(P＜0.05)，而PRDM16蛋白的表達水平為對照組的1.46倍；而對于進行抗阻訓練的大鼠，其PRDM16基因水平和蛋白水平都有一定程度的升高，盡管其不具有顯著性差異。運動是減肥的科學方法，而該實驗揭示了有氧運動發揮減重效果的可能機制，指出了PRDM16可能在運動治療肥胖中扮演著不可或缺的角色。噻唑烷二酮(thiazolidinedione，TZD)可將PRDM16蛋白半衰期從5.9 h延長至17.5 h，使用TZD處理3 d可使PRDM16蛋白積累約250倍，此外，TZD已被證明可誘導sirtuin 1(SIRT1)依賴的PPARγ去乙酰化，進而增強PRDM16和PPARγ復合物的形成，進一步促進WAT褐變[22]。其他的，如辣椒素、骨形態發生蛋白7(bone morphogenetic protein 7，BMP7)、鳶尾素、成纖維細胞生長因子21(fibroblast growth factor 21，FGF21)和利鈉肽可能通過激活β2腎上腺素受體誘導皮下WAT的褐變；辣椒素和TZD類似，都可促進PRDM16蛋白的穩定性，但促進PRDM16蛋白穩定的分子機制尚不明確，而PRDM16的穩定性受到泛素-蛋白酶體途徑的高度調控，因此去泛素化很可能是增強PRDM16穩定性的潛在機制；尚未得到鑒定的PRDM16的特異性E3泛素連接酶可能成為誘導WAT褐變的合理藥物靶點[22]。

值得關注的是，能夠檢測到BAT的成年人擁有一些共同特征，如較年輕，糖化血紅蛋白(HbA1c)、膽固醇、低密度脂蛋白-膽固醇、葡萄糖、體質量指數(BMI)較低[37]。BAT量隨著年齡的增長而逐漸減少，在80歲時BAT量顯著降低[38]。據推測，至少30%的老年人和接近100%的年輕人擁有BAT[39]。BAT和WAT在不同個體中的比例和活性不同，這可能可以解釋為什么某些群體體質量更容易增加，減肥效果差，同時也可解釋人的體質量隨年齡增長而增加的趨勢。另外，不是所有個體都具有肥胖傾向，如種族、海拔等許多因素都能影響個體的肥瘦平衡[40]。有研究指出，BAT移植可能比藥物治療更加有成效[41]。在高脂飲食誘導的肥胖小鼠模型中進行BAT的移植和摘除實驗，結果顯示BAT移植在不改變飲食攝入量的情況下逆轉了高脂飲食誘導的體質量增加和胰島素抵抗，減輕了肥胖相關的脂肪組織炎癥，同時，還提高了內源性棕色化標記蛋白如PRDM16、UCP-1的表達，此外還促進了脂肪酸氧化相關基因表達的增加[42]。該研究揭示了治療肥胖的又一潛在途徑，即通過外源性的BAT移植，在外源性補充PRDM16等產熱耗能相關因子的同時，又促進個體本身產熱耗能因子的表達，該方法似乎避免了個體差異所造成的生熱組織含量的不足等因素，是未來治療肥胖及其相關疾病的一個值得探討的方向。

KISHIDA等[43]通過細胞重編程技術生成功能性棕色脂肪細胞的研究，他們將PRDM16基因轉入誘導型多能干細胞來源的胚狀體中，經過培養后約75%的細胞呈棕色脂肪細胞外觀，含有豐富的線粒體及多房脂滴，并且高水平表達UCP-1等。這些誘導形成的棕色脂肪細胞被移植到同種基因的小鼠體內的皮下組織中，并給予高脂飲食。結果表明，相比于對照組，這些小鼠的體質量增加要少得多，并且恢復了由于高脂飲食所導致的血脂異常。該研究顯示，通過PRDM16轉導的誘導型棕色脂肪細胞在體內具有代謝活性，能夠顯著抑制飲食誘導的肥胖、血脂異常等。這揭示了一種頗具前景的針對肥胖等代謝疾病的靶向治療方法，是將細胞編程等先進技術運用于臨床治療的新嘗試。

4 小結

綜上所述，PRDM16蛋白能夠促進棕色脂肪特異性基因的表達，同時抑制白色脂肪特異性基因的表達，通過棕色和米色脂肪的產熱程序增加能量消耗，從而抑制肥胖。相信隨著不斷地深入研究，PRDM16蛋白的潛在價值和臨床應用前景將不斷體現，其可能為肥胖的防治提供有效方法。