運動誘導的代謝物與脂肪棕色化的調節機制

李 林，曲雅倩，陳 敏，陳思宇，孫景權

人體主要有2 種脂肪組織：白色脂肪組織（white adipose tissue，WAT）和棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT）。構成脂肪組織的脂肪細胞包括3 種類型：白色脂肪細胞（white adipose cells）、棕色脂肪細胞（brown adipose cells）和米色脂肪細胞（beige adipose cells），均由間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）分化而來。白色脂肪細胞和米色脂肪細胞源于Myf5-前體細胞，棕色脂肪細胞與肌細胞同源于Myf5＋前體細胞（黃濤 等，2016； Petrovic et al.，2010）。白色脂肪細胞廣泛存在于皮下組織和內臟周圍，含有儲存大量甘油三酯的單脂滴，且脂滴體積占整個脂肪細胞的90%以上，線粒體數量少，主要功能是儲存能量（Lee et al.，2019）。棕色脂肪細胞主要存在于頸部、鎖骨上部、胸部、腋下和肩胛間等部位，細胞中含有較多的小脂滴，線粒體數量多，富含線粒體解偶聯蛋白-1（uncoupling protein 1，UCP-1）。這種蛋白可使線粒體呼吸鏈的電子傳遞和三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）生成過程進行解偶聯，將脂肪酸氧化代謝產生的能量以熱能的形式釋放，因此，棕色脂肪組織具有產熱耗能的作用（付鵬宇 等，2018； Jung et al.，2019）。米色脂肪細胞是介于白色和棕色脂肪細胞之間的細胞類型，既可以表達米色脂肪組織特有的TBX1、SLC27A1、TMEM26、CD40 和CD137 等蛋白，又可以表達白色脂肪細胞特異性蛋白［adiponectin、adipocyte protein 2 gene （AP2）和adipsin等］和棕色脂肪細胞特異性蛋白（UCP-1、CIDEA 和PGC-1α等），具有增加產熱的功能（Harms et al.，2013； Kaisanlahti et al.，2019）。

在冷環境、運動和藥物等因素的影響下，WAT 中白色脂肪細胞會向米色脂肪細胞轉變，促進UCP-1 等棕色脂肪特異性蛋白的表達，這種現象稱為脂肪棕色化（程龍等，2019）。近年來，運動訓練對脂肪棕色化的影響愈發受到關注，但具體作用機制尚不明確。研究表明，運動能夠引起機體血液、尿液、骨骼肌和心臟等部位中代謝組學的變化（Deda et al.，2017； Starnes et al.，2017），α-酮戊二酸、琥珀酸、乳酸等多種代謝物已被證實可以誘導脂肪棕色化的發生（Carrière et al.，2014； Mills et al.，2018； Tian et al.，2020； Wishart，2019）。可見，運動或通過誘導機體內代謝物變化參與調節脂肪棕色化進程。因此，本研究分析了運動訓練對脂肪棕色化和機體內代謝物水平的影響，系統整合了代謝物誘導脂肪棕色化的生物學機制。

1 脂肪棕色化的產生機制和生理意義

1.1 誘導脂肪棕色化的生物學因素

脂肪棕色化的生物學機制涉及非常龐大和復雜的機制網絡。現有研究廣泛聚焦于基因轉錄和激素調控對脂肪棕色化的影響。在基因轉錄水平上，PR 結構域家族的第16 個成員轉錄因子（PR-domain-containing 16，PRDM16）和CCAAT/增強子結合蛋白β（CCAAT/enhancer binding proteins β，C/EBPβ）是誘導棕色脂肪細胞分化的關鍵分子開關（Kajimura et al.，2009）；過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptors γ，PPARγ）與配體羅格列酮結合后可促進UCP-1 基因的轉錄（Petrovic et al.，2010）；過氧化物酶體增殖物激活受體γ 共激活因子1α（peroxlsome proliferator-activated receptor-γ coactlvator-1α，PGC-1α）作為轉錄協同激活因子，亦可增強WAT 中UCP-1 及線粒體氧化呼吸鏈代謝關鍵酶的表達（Bostr?m et al.，2012； Cheng et al.，2018）。在激素調控方面，白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）（Knudsen et al.，2014）、鳶尾素（irisin）（Bostr?m et al.，2012）、成纖維生長因子-21（fibroblast growth factor-21，FGF-21）（王璐 等，2020； Chau et al.，2010）和心鈉肽（atrial natriuretic peptide，ANP）（Carper et al.，2020）等均可促進脂肪棕色化；腎上腺素（epinephrine，E）和去甲腎上腺素（norepinephrine，NE）等兒茶酚胺類激素可通過與β3-腎上腺素能受體（β3-adrenoceptor，β3-AR）結合誘導脂肪棕色化（Choi et al.，2018； Lee et al.，2019；Wu et al.，2018）。然而，以上研究多從基因和蛋白質層面探究。鑒于代謝物可以更好地反映機體所處的環境和狀態，研究也證明多種代謝物可有效誘導白色脂肪棕色化，這將為探討脂肪棕色化機理提供新的思路。

1.2 脂肪棕色化的生理意義

脂肪棕色化作為一種適應性生熱機制，對機體代謝健康有多方面的有益影響：1）增加機體能量消耗，減輕體質量。動物模型實驗顯示，脂肪棕色化可有效抑制高脂喂養小鼠肥胖（喻日成 等，2019； Baskaran et al.，2016）。2）提高胰島素敏感性，改善糖耐量。有研究發現，將人類的米色脂肪細胞移植到小鼠后，其空腹血糖下降，葡萄糖耐量改善（Min et al.，2016）。3）治療動脈粥樣硬化。Roth等（2021）發現，生熱脂肪的激活可降低血漿甘油三酯、總膽固醇和低密度脂蛋白，增加高密度脂蛋白以及促進動脈粥樣硬化脂肪因子的分泌。4）保護心血管系統。心臟周圍的脂肪組織可通過棕色化維持正常的血管緊張度和血壓，調節心血管的舒張和收縮功能，從而產生心血管保護效應（Aldiss et al.，2017）。總之，脂肪棕色化可促進機體能源分解，有利于能量輸出，進而改善上述代謝障礙疾病。然而，這種作用在燒傷、癌癥和心臟病等超代謝疾病狀態下會對機體產生有害影響，導致惡病質、肌肉萎縮、動脈粥樣變形和肝硬化等發生，其與脂肪棕色化引起機體能量過度消耗相關（Abdullahi et al.，2016）。因此，對待脂肪棕色化應注意區分不同的生理狀態，綜合看待其生理意義。

可見，脂肪棕色化受多種因素影響，既包括PRDM16、C/EBPβ、PPARγ 和PGC-1α 等轉錄因子的調控，又包括IL-6、Irisin、FGF-21 和ANP 等蛋白質類激素以及E 和NE等兒茶酚胺類激素的調節，多種代謝物也會對其產生重要影響（圖1）。白色脂肪棕色化對機體代謝的影響重大，未來研究應辯證性地思考脂肪棕色化的生理意義，積極探求脂肪棕色化的上下游機制，尋找不同的干預手段誘導脂肪棕色化，從而促進形成人體健康的最佳平衡點。

圖1 脂肪細胞概況及誘導白色脂肪棕色化的生物學因素Figure 1.Profile of Adipose Cells and the Biological Factors of Inducing White Adipose Browning

2 運動對脂肪棕色化的影響

Stallknecht 等（1991）發現，運動訓練會使大鼠的白色脂肪細胞勻漿變為棕色，并將這種變化歸功于運動誘導WAT中線粒體酶活性的增加。Oh 等（2007）發現，6 周游泳運動可增加小鼠WAT 中UCP-1 的mRNA 和蛋白質表達水平。諸多嚙齒類動物實驗研究證實，不同的運動形式（跑臺運動、游泳、抗阻運動等）和不同的運動周期（4～12 周）均能誘使動物模型發生白色脂肪棕色化，具體指標包括棕色及米色特異性標志物表達量增多（UCP-1、CIDEA、PRDM16、PGC-1α、Dio2 和Cox8b 等），脂肪細胞直徑減小等（楊星雅等，2017； 鄭佳偉 等，2020； Amano et al.，2020； Barbosa et al.，2018； Khalafi et al.，2020； Picoli et al.，2020）。

盡管運動對嚙齒類動物脂肪棕色化的作用非常明顯，但相關人體實驗研究尚未形成統一的結論（表1）。有研究表明，受試進行12 周的自行車訓練后，皮下WAT 中UCP-1、TBX1 和CPT1 等基因表達顯著增加，即長期有氧運動可誘導人體發生脂肪棕色化（Otero-Diaz et al.，2018）。Tanaka 等（2020）分析了319 名成年健康男、女性的身體活動水平和棕色脂肪組織密度之間的關系，發現經常進行高強度體力活動者的BAT 密度較高（男性尤其明顯），這說明高強度運動與棕色脂肪密度之間確實存在關聯。但Norheim 等（2014）發現，有氧訓練和力量訓練并未有效促進成年男性皮下WAT 中UCP-1 蛋白表達量的增加。亦有研究表明，6 周或6 個月的有氧運動均未能明顯改變人體皮下WAT 中棕色化特異性基因的表達（Ronn et al.，2014；Tsiloulis et al.，2018）。因此，運動對人體脂肪棕色化的作用尚待進一步確定，這可能與人群實驗樣本單一、樣本量小、可控性差和偶然性高等因素有關。例如，大部分研究對象是男性，而Scalzo 等（2014）的研究表明，女性的WAT較男性有更大的棕色化反應。另外，棕色化基因在人體內臟WAT 中的表達較高，而目前大多數研究聚焦于皮下WAT（Zuriaga et al.，2017）。因此，未來研究應進一步探討不同的運動類型、強度和時間等對不同受試和不同脂肪組織部位的影響，以期驗證運動鍛煉對人體脂肪棕色化的積極作用。

表1 運動影響脂肪棕色化的人體實驗研究Table 1 The Human Experiments of Exercise-Induced Adipose Browning

3 運動對機體循環系統中代謝物含量的影響

雖然運動對各種代謝、炎癥、心血管以及其他系統的有效性已被廣泛證實，但其相關的分子作用機制尚未完全闡明。代謝物是下游生化過程的終點，代謝組學數據可以提供有關身體活動、藥理學治療、營養干預和其他生物影響的寶貴信息，為運動人體科學的研究提供全新視角（黃彩華 等，2011； Sakaguchi et al.，2019）。本研究整理了已發表的4 篇一次性運動（包含耐力和抗阻運動）對人體循環系統（血液）中代謝組含量變化的研究（表2），以探究運動對機體循環系統代謝物的影響（Contrepois et al.，2020； Karl et al.，2017； Peake et al.，2014； Stander et al.，2020）。

關于運動誘導的人體血液中代謝組學研究尚處于初步階段，多數研究的樣本量較少，因此，表2 納入的研究未設置最小樣本閾值。本研究發現，一次性運動均會增加糖代謝產物（葡萄糖、丙酮酸等），而中強度耐力訓練對乳酸的影響不大；對于氨基酸代謝，有研究表明，一次性運動后氨基酸代謝增強，但也有研究對不同種類氨基酸的變化方向存在矛盾，這可能與實驗設計、實驗環境等因素不同相關；對于脂代謝的研究較為一致，體現在一次性運動后游離脂肪酸的上升和脂質的下降，但在一項馬拉松實驗中發現，運動后即刻游離脂肪酸含量下降，48 h 后才略有增加，這可能與長時運動中的能量消耗相關；三羧酸（tricar boxylic acid，TCA）代謝產物在不同的實驗研究中均呈現增加趨勢（表2）。因此，不同的運動類型引起的趨勢大體一致，但不同運動類型和不同時長等因素會引起個別代謝物呈現不同的變化方向，恢復到基線的時間也大不相同。

4 運動調節代謝物誘導脂肪棕色化的可能生物學機制

脂肪棕色化的本質是特異性基因的選擇性表達，生物體內的代謝物作為信號分子，可通過影響不同的信號通路對其進行調控。本研究發現，糖酵解代謝產物乳酸、氨基酸代謝產物犬尿喹啉酸和β-氨基異丁酸、TCA 循環代謝產物琥珀酸和α-酮戊二酸等可通過不同的機制誘導脂肪棕色化（圖2）。

圖2 代謝物誘導脂肪棕色化的生物學機制Figure 2.Biological Mechanisms of Adipose Browning Induced by Metabolites

琥珀酸（succinate）是TCA 循環中極其重要的代謝中間物，琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase，SDH）是TCA循環中唯一位于線粒體內膜的酶（真核生物）。在線粒體內，琥珀酸可通過與SDH 結合，將呼吸鏈傳遞與氧化磷酸化過程緊密連接起來（Murphy et al.，2018）。研究表明，肌細胞中的琥珀酸可在酸性條件下，通過單羧酸轉運蛋白1（monocarboxylate transporter 1，MCT1）的轉運進入血液循環，運動可以有效促進琥珀酸在骨骼肌和血液循環中含量的增加（Reddy et al.，2020）。在脂肪細胞內，線粒體中的琥珀酸可以通過SDH 的氧化分解作用誘導活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產生（Mills et al.，2018），而ROS 可通過亞磺酰化UCP-1 的第253 位半胱氨酸激活UCP-1（Chouchani et al.，2016）。還有研究表明，琥珀酸-SUNCR1（琥珀酸的內源性配體）軸同樣調節冷誘導的脂肪組織棕色化（Keiran et al.，2019）。另有研究發現，琥珀酸處理后脂肪源性干細胞出現明顯的棕色化傾向，PI3KAKT 通路和AMPK 通路增強（Liu et al.，2020）。這兩種通路均可上調產熱基因的表達（Jeong et al.，2017）。其中，SUNCR1 是否參與脂肪細胞中AMPK 通路、PI3K-AKT 通路的信號調控有待進一步研究。

α-酮戊二酸（α-ketoglutaric acid，AKG）是TCA 循環的中心物質，也是氨基酸和碳水化合物代謝的橋梁（陳家順等，2018）。Zhang 等（2019）表明，大鼠一次性跑步運動后腓腸肌組織液中AKG 水平上升約59%，血漿中AKG 水平增加23%～54%。還有研究發現，棕色脂肪形成過程伴隨AKG 水平增加，這是因為棕色脂肪分化關鍵基因PRDM16啟動子DNA 去甲基化過程需要AKG 的參與（Tian et al.，2020； Yang et al.，2016）。這表明了AKG 誘導脂肪棕色化發揮的重要作用。Yuan 等（2020）表明，AKG 可通過與腎上腺表達的受體OXGR1（GPR99）結合，促進腎上腺素的釋放，作用于脂肪組織中表達的β3-AR 受體，引起脂肪棕色化。這些研究均說明AKG 在誘導脂肪棕色化中的重要作用。

色氨酸（tryptophan，TRP）在生物體內首先分解為犬尿氨酸（kynurenine，KYN），而KYN 與中樞神經系統的相關疾病發生有關。運動能促使骨骼肌中的KYN 轉化為犬尿喹啉酸（kynurenic acid，KYNA），KYNA 不能穿越血腦屏障，可保護大腦免受KYN 的危害（Agudelo et al.，2014）。人體實驗顯示，公路自行車運動后，人體血漿KYNA 濃度增加63%；馬拉松運動后，人體KYNA 濃度升高125%（Schlittler et al.，2016）。后續研究發現，長期KYNA 處理可誘導WAT 中UCP-1、PGC-1α、PRDM16 和CIDEA 等特異性基因增加，其受體GPR35 缺失則抑制KYNA 的這種作用（Agudelo et al.，2018）。

β-氨基異丁酸（β-aminoisobutyric acid，BAIBA）是骨骼肌分泌的一種非蛋白氨基酸，由胸腺嘧啶和纈氨酸代謝分解而來（Tanianskii et al.，2019）。研究發現，運動鍛煉可有效增加機體血漿中BAIBA 的濃度（Stautemas et al.，2019）。BAIBA 處理會使脂肪細胞的脂滴數量增加和表面積減少，UCP-1、CIDEA 和PRDM16 等基因表達水平顯著上調，表明BAIBA 具有誘導脂肪棕色化的作用（Colitti et al.，2018）。Roberts 等（2014）發現，BAIBA 可顯著增加白色脂肪細胞中PPARα 的mRNA 表達。PPARα 是促進UCP-1 蛋白表達的關鍵轉錄基因（Komatsu et al.，2010）。

乳酸（lactate）是運動過程中糖酵解代謝的重要產物，其血液濃度一直被視為判斷疲勞和恢復程度的重要標志物（趙海濤 等，2021）。乳酸不是簡單的代謝廢物，在生物體內起著重要的信號傳遞作用（Brooks，2020）。Carrière等（2014）表明，乳酸可通過單羧酸轉運蛋白（MCTs）出入細胞，在PPARγ 信號的參與下促進UCP-1 的蛋白表達。這種作用可能是NADH/NAD＋升高導致的，表明脂肪細胞棕色化可能是減輕氧化還原壓力的一種適應性機制。另有研究發現，乳酸作用于脂肪細胞后，可通過激活P38-MAPK 信號通路促使成纖維細胞生長因子-21（FGF-21）分泌增加（Jeanson et al.，2016）。FGF-21 可以通過自分泌或旁分泌方式作用于WAT 誘導脂肪棕色化（Rodriguez et al.，2017）。

綜上所述，運動可促進骨骼肌將琥珀酸、α-酮戊二酸、犬尿喹啉酸、β-氨基異丁酸和乳酸等代謝物釋放到血液中，使其經由血液循環到達全身，通過不同的生物學機制上調WAT 中UCP-1、PRDM16 和PGC-1α 等特異性基因的表達，誘導脂肪棕色化的發生，進而有效促進生物體的能量消耗，改善肥胖和糖尿病等疾病的發生（圖2）。

5 結論

在運動訓練的影響下，白色脂肪組織可以通過脂肪棕色化對機體的能量代謝和產熱進行適應性調節。目前研究發現，參與運動促進白色脂肪棕色化進程的代謝物包括TCA 循環代謝中間物琥珀酸和α-酮戊二酸、氨基酸代謝物犬尿喹啉酸和β-氨基異丁酸、糖酵解代謝物乳酸等。這些代謝物的積累可通過不同的機制通路誘導脂肪棕色化，改善脂肪代謝。深入探討代謝物參與的運動促進脂肪棕色化的生物學機制，有助于進一步明確運動改善機體代謝穩態、緩解肥胖及慢性疾病癥狀的作用，這可能為探討運動治療肥胖、改善健康的機制探尋到新靶點。