棕色脂肪分化的信號調節(jié)及其運動適應機制研究進展

史珺 漆正堂 丁樹哲

青少年健康評價與運動干預教育部重點實驗室，華東師范大學體育與健康學院（上海200241）

哺乳動物體內(nèi)一般存在兩種類型的脂肪組織，分別為白色脂肪組織 （white adipose tissue，WAT）和棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT）。從形態(tài)學看，棕色脂肪細胞內(nèi)分布著很多小脂滴，呈現(xiàn)“多室”特征，而白色脂肪細胞內(nèi)只含有一個大脂滴，表現(xiàn)為“單室”特征；在能量代謝方面，WAT 以脂肪儲存為主，BAT 則主要以氧化脂肪釋放能量為主。 采用18FDG -PET （18fluoro -labeled 2 -deoxy -glucose positron emission tomography） 掃描技術可清楚地顯示，大部分正常成人頸部、腋窩、鎖骨、脊髓和腹腔等部位有明顯的棕色脂肪庫。 BAT 的含量與人體整體肥胖水平呈反比[1，2]，與BMI 也呈反比關系[3，4]。 近些年來， 關于棕色脂肪分化機制及其運動適應的研究有許多新進展，本文對此進行綜述。

1 BAT 與肥胖

早在19 世紀30 年代， 研究者就希望通過產(chǎn)熱增加能量消耗來治療肥胖，藥物治療是方法之一。 藥物通常有明顯的特異性，常常作用于交感神經(jīng)系統(tǒng)[5]，中斷產(chǎn)熱和攝食的關聯(lián)，BAT 是大多數(shù)藥物的靶組織。目前纖維原細胞生長因子21（Fgf21）[6]和膽汁酸[7]被認為是潛在的生熱劑， 但是長期服用這些藥物可能對心血管系統(tǒng)產(chǎn)生有害影響。 冷暴露也是方法之一，長期冷暴露可使BAT 最大化適應性產(chǎn)熱。 大鼠實驗表明，高脂膳食肥胖老鼠在-4℃環(huán)境中治療，肥胖得到改善[8]。 Yoneshiro 等[2]的研究發(fā)現(xiàn)，冷暴露導致的能量消耗增加與BAT 的分化呈正相關， 提示BAT 應被歸入到冷暴露導致能量消耗增加的機制之中。Cypess 等[1]采用18FDG-PET 技術對1972 名患者進行實證研究， 結果顯示BAT 的含量與BMI 呈反比，尤其是對老年人而言。 Vijgen 等[4]對病態(tài)肥胖者的研究也 顯示，BAT 的活性與BMI、BF%（body fat percentage）呈反比。鑒于BAT 與肥胖的高度相關性，研究者對BAT 產(chǎn)熱耗能治療肥胖進行了深入研究。Leibel 等[9]的經(jīng)典研究顯示，肥胖者減肥后其整體能量消耗 （基礎代謝率） 比相同體重未減肥者下降20%，且這種下降是永久性的。 Rothwell 等[10]的研究表明， 成人體內(nèi)40～50 g 的功能型BAT 足以增加人體20%的基礎代謝率。 而根據(jù)van Marken Lichtenbelt 等[11]的研究推算， 成人體內(nèi)250 g 的功能型BAT 才可以增加全身基礎能量消耗的20%。 目前，BAT 是唯一被確認可以非顫栗性產(chǎn)熱的組織器官[12]。 利用BAT 治療肥胖還要進行長期的摸索。

2 棕色脂肪分化

2.1 棕色脂肪的分化路徑

研究者原本認為棕色脂肪與白色脂肪擁有相同的分化前體，但后來發(fā)現(xiàn)并非如此。 Myf5（生肌因子5）是在胚胎發(fā)育時肌祖細胞中最早被誘導表達的因子，是生肌調節(jié)因子家族（MRFs）的一個成員。 Myf5-（Myf5-negative） 祖細胞可分化為血管基質層（stromal vascular fraction，SVF），SVF 最終分化為白色脂肪細胞[13]。Myf5+（Myf5-positive）祖細胞可誘導分化為中央生皮肌節(jié)（central dermomyotome），后者最終分化為肩胛間經(jīng)典棕色脂肪細胞和骨骼肌細胞[14]。 因此， 經(jīng)典棕色脂肪細胞與骨骼肌細胞在分化上具有同源性，這一同源性很可能決定了BAT 的代謝特征與WAT 相距較遠，而與骨骼肌更為接近。 棕色脂肪細胞富含線粒體也是BAT 與骨骼肌同源性的又一特征。

另一方面， 棕色脂肪也可能來源于白色脂肪的轉分化。 UCP1 是BAT 產(chǎn)熱的關鍵基因， 也是BAT的特異性表達基因。 在長期冷暴露和β 腎上腺素能受體激動劑的刺激下， 成年動物白色脂肪細胞可能分化為UCP1-positive 脂肪細胞。 這些誘導產(chǎn)生的棕色樣脂肪細胞（beige cells 或者brite cells）具有許多經(jīng)典棕色脂肪細胞的生化和形態(tài)特征， 包括細胞內(nèi)脂滴具有“多室”的特征[15]。 但它們來自Myf5-細胞系，與經(jīng)典棕色脂肪細胞有著截然不同的起源。重要的是， 棕色脂肪細胞分化與轉錄因子PRDM16 相關聯(lián)，PRDM16 是引導棕色脂肪分化的決定性因子，而這些來自WAT 的brite cells 雖然有消耗脂肪產(chǎn)熱的能力，但并不能表達PRDM16，而仍表達WAT 特異性的轉錄因子Hoxc9[16]。目前，尚不清楚brite cells 的表型是否為嚙齒動物所特有，人體WAT 中是否可以觀察到這種表型。 一些人體研究顯示，人體WAT 轉分化為BAT 要依賴PRDM16[17]，這與大鼠brite cells的轉錄表達似乎并不一致。 目前尚不清楚是否所有的WAT 都有可能被誘導棕色脂肪樣表型，并且這種誘導是否受年齡、胰島素敏感性等因素的影響。

簡而言之，在發(fā)育起源上，棕色脂肪和白色脂肪由不同的祖細胞分化而來， 棕色脂肪和骨骼肌由Myf5+祖細胞分化，WAT 由Myf5-祖細胞分化。但白色脂肪在一定條件下也可轉分化為棕色脂肪。 這兩種途徑都可能是棕色脂肪的分化途徑（如圖1 所示）。

圖1 棕色脂肪的分化路徑及其調控因子

2.2 棕色脂肪分化的調控因子

棕色脂肪細胞與白色脂肪細胞有相似之處，二者的形態(tài)分化都受PPARγ（peroxisome proliferatorsactivated receptor γ） 和 C/EBP （CCAAT/enhancer binding protein）家族成員的轉錄調控[18]。 PPARγ 和C/EBPα 是脂肪細胞分化的重要轉錄調控因子，二者協(xié)同調控脂肪細胞分化。C/EBPβ 在脂肪形成的早期階段被迅速誘導，對PPARγ、C/EBPα 的轉錄誘導起關鍵作用。

2.2.1 棕色脂肪分化的抑制因子

近年來， 對棕色脂肪分化的抑制因子研究有一些新進展， 但研究較為分散。 RB（retinoblastoma protein）蛋白家族成員包括pRB、P107、P130，它們能夠與E2F 轉錄因子家族的蛋白結合， 抑制靶基因轉錄。 已經(jīng)證實RB 參與脂肪、 肌肉等多種組織的分化。 Hansen 等[19]的研究表明，白色脂肪前體細胞的pRB（retinoblastoma protein）失活，導致棕色脂肪特異性UCP-1 表達。 且在β3-腎上腺素受體激動劑治療時，pRB 表達下調伴隨著白色脂肪棕色化。 P107 對白色脂肪棕色化起抑制作用。 Scimè 等[20]將出生后5天的小鼠敲除P107， 到3 周齡時70%的小鼠死亡。解剖顯示，敲除P107 的小鼠WAT 含量嚴重受損，且棕色脂肪特異性因子PGC-1α 和UCP-1 表達水平均顯著性升高。 RIP140 是一個配體依賴性的核受體活性抑制因子。 RIP140 對白色脂肪棕色化和線粒體呼吸有明顯的抑制作用[21]。 RIP140 敲除后導致白色脂肪棕色化關鍵因子的表達發(fā)生改變，包括UCP-1、PPARγ、cidea 等均上調。 相比較棕色脂肪分化的抑制因子， 對棕色脂肪分化誘導因子的研究更為系統(tǒng)和深入。

2.2.2 棕色脂肪分化誘導因子

從前脂肪細胞直到終末分化為棕色脂肪細胞，目前被證實的有利于棕色脂肪細胞生成的分子有：PRDM16、PPARα、PPARγ、PGC-1α（peroxisome proliferator -activated receptor -γ co -activator 1α）、C/EBPα、CREB （cyclic AMP response element binding protein）、microRNA 等[22]。 相對于WAT，PGC-1α 在BAT 中特異性高表達。 PGC-1α 作為輔因子能與PPARγ 結合，并作用于UCP1 的啟動子。在白色脂肪細胞中過表達PGC-1α 能誘導線粒體生成及UCP1表達[23]。 PRDM16 由Spiegelman 實驗室發(fā)現(xiàn)并于2007 年首次報道，在BAT 中特異性表達。 從目前的研究來看，PRDM16 可看作是棕色脂肪分化的輔激活因子，可調控PPARα、CtBP、PGC-1α、PPARγ 的轉錄活性，誘導棕色脂肪特有基因的表達。PRDM16 與PPARα 結合后激活其轉錄活性，可以誘導棕色脂肪/骨骼肌的轉化[15]。 有研究指出PRDM16 的表達可能是由于PPARα 的刺激，因此得出WAT 中PPARα 的激活導致了棕色脂肪基因表達， 如PGC-1α 和PRDM16[18]。而PGC-1α 和PRDM16 的表達又會促進WAT 中UCP1 的表達，即白色脂肪棕色化[24]。另一方面，PRDM16 與輔助共抑制因子CtBP-1 （Cterminal-binding protein-1）和CtBP-2（C-terminalbinding protein-2） 結合后，PRDM16 被募集到WAT特有基因的啟動子上，然后抑制這些WAT 特異性基因的轉錄，從而抑制向白色脂肪的分化[25]。 更為重要的是，在成纖維細胞中，PRDM16 與C/EBPα 配對后，依然有激活棕色脂肪分化的能力[25]。 總之，PRDM16在棕色脂肪細胞分化過程中扮演著非常重要的角色。

Ahfeldt 等[26]的研究顯示，PPARγ2 可誘導間質干細胞（mesenchymal progenitor cells，MPCs）或者脂肪源間質血管細胞（adipose-derived stromal vascular cells，ADSVCs）分化為白色脂肪細胞，而當C/EBPβ與PRDM16 結合到PPARγ2 后， 就會出現(xiàn)棕色脂肪的表型，伴有UCP1 高表達。 另一個非常重要的調節(jié)物 是insulin/IGF-1，insulin/IGF-1 通 過IRS-1 磷 酸化刺激棕色脂肪的分化， 經(jīng)過Ras-ERK1/2 通路和磷酸肌醇3 蛋白激酶通路 （phosphoinositide 3 kinase-Akt pathway） 協(xié)同作用抑制necdin 表達[27]。necdin 可以加強成肌分化，抑制脂肪分化。 先前的研究也表明[28]，敲除胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）后，necdin 顯著升高，細胞分化停止。而當重組IRS 后，necdin 基因沉默，此時細胞重新向棕色脂肪細胞分化。

2.2.3 microRNA

最新研究顯示，microRNA 與棕色脂肪分化相關， 且不同的microRNA 對棕色脂肪分化有不同的調節(jié)作用， 如microRNA-133 起抑制作用，miR-193b-365 起誘導作用。研究者發(fā)現(xiàn)miR-133 通過作用于靶基因PRDM16 的3’-UTR 區(qū)調控肌肉干細胞和棕色脂肪細胞分化。 miR-133 AntagomiR 是人工合成的miR-133 反義RNA。 在生肌過程中經(jīng)過miR-133 AntagomiR 處理可增加肌細胞解偶聯(lián)作用、生熱作用以及增強全身的能量消耗，調控肌肉干細胞向棕色脂肪細胞分化。研究表明，暴露于冷環(huán)境下的小鼠miR-133 水平下調，導致肌肉干細胞重新生成棕色脂肪組織[29]。 另一個有調節(jié)作用的分子是miR-193b-365。 miR-193b-365 是一個有利于脂肪形成的共轉錄miRNA 基因簇， 包含miR-193b 和miR-365 等轉錄因子。 Sun 等[30]對SVF 細胞分化的研究顯示，miR-193b-365 是棕色脂肪形成所必需的。 實驗用鎖核酸LNA 阻礙miR-193b 和miR-365對棕色脂肪形成的影響。 結果顯示，與對照組相比，棕 色 脂 肪 標 記 蛋 白Cidea、Dio2、PGC-1α、PPARγ、PRDM16、UCP1 均顯著下降。 miR-193b 可能通過抑制RunX1T1 誘導棕色脂肪形成，RunX1T1 是抑制棕色脂肪表型的轉錄因子。 同時miR-193b 抑制肌生成相關因子Cdon、lgfbp5、Pax3、MyoD，阻止棕色脂肪前體細胞向肌源性細胞分化。miR-193b 也可以上調PPARγ 和C/EBPα 等棕色脂肪終末分化的標記蛋白。 miR-193b-365 受PRDM16 調 控，PRDM16 與PPARα 相互作用，促進miR-193b 和miR-365 的表達[30]。

棕色脂肪分化受誘導因子和抑制因子的共同調節(jié)，目前對棕色脂肪分化抑制因子的研究較為粗淺。此外，microRNA 對棕色脂肪分化的調節(jié)起著重要作用， 但當前對microRNA 對棕色脂肪分化調節(jié)的研究很少， 未來需要探索更多microRNA 對棕色脂肪分化的調控作用， 并厘清microRNA 如何調控棕色脂肪分化的誘導因子和抑制因子。

3 運動與白色脂肪的轉分化

鑒于棕色脂肪與肥胖呈負相關，過去幾十年，研究者進行各種動物實驗，試圖研究運動對BAT 的活化和募集是否有益。令人失望的是，大多數(shù)研究都沒有發(fā)現(xiàn)運動對BAT 的活化有任何作用[31，32]。 但是近幾年一些對嚙齒動物的研究顯示， 運動對棕色脂肪和beige cells 有刺激作用[33-36]。Xu 等[33]的小鼠實驗研究表明，運動增加了肩胛間BAT 脂肪前體細胞的募集，且使UCP-1 的表達增加了2 倍。 Seebacher 等[34]的研究表明， 低溫環(huán)境低強度運動訓練可以增加骨骼肌和棕色脂肪PGC1α、PPARγ 和NRF-1 mRNA的水平。 研究顯示僅在運動和冷暴露相結合的情況下可以增加棕色脂肪UCP-1 的表達，而單獨的冷暴露則無此效應。 這表明，運動對于BAT 的產(chǎn)熱機制是必要的。另一個研究也表明，一周訓練后小鼠的內(nèi)臟白色脂肪出現(xiàn)beige cells， 運動組內(nèi)臟WAT 中UCP-1 高表達細胞是對照組的8 倍[35]。 Bostrm 等[36]研究了耐力運動對白色脂肪棕色化的標記蛋白如PRDM16、UCP1 和Cidea 等的影響，結果同樣顯示增加。

3.1 Irisin 信號途徑與白色脂肪棕色化

最近研究還發(fā)現(xiàn)一種名為Irisin 的新激素與白色脂肪棕色化關系密切。 PGC-1α 促進膜蛋白FNDC5 表達，F(xiàn)NDC5 經(jīng)剪切和修飾后， 轉變?yōu)樾录に豂risin。Bstrom 等[36]發(fā)現(xiàn)Irisin 的前體蛋白FNDC5誘導皮下白色脂肪棕色化，SVF 分化為脂肪細胞的過程中， 經(jīng)過20 nmol/L 的FNDC5 處理后，UCP-1 mRNA 水平升高7～500 倍， 產(chǎn)熱基因UCP1、Elovl3和Cidea 等均上調。 病毒介導小鼠肝臟過表達FNDC5 使血漿中Irisin 的濃度升高3～4 倍，Irisin 濃度的升高導致皮下白色脂肪UCP-1 mRNA 水平升高13 倍，能量消耗增加。 這表明Irisin 作用于白色脂肪細胞，刺激UCP1 表達以及廣泛作用于白色脂肪棕色化的過程中，最終導致能量消耗增加。 但也有研究持相反意見，Timmons 等[37]的研究表明，運動對Irisin的前體蛋白FNDC5 的刺激作用受限。研究者對參加耐力訓練和抗阻訓練的200 名受試者進行肌肉活檢，運用基因表達譜未檢測到FNDC5 mRNA 水平有顯著性增加。 Huh 等[38]的研究顯示，年輕健康的受試者進行急性無氧運動（短跑）后Irisin 水平升高，但是8 周無氧訓練卻未使Irisin 水平變化。 目前還沒有研究檢測有氧訓練對Irisin 的影響，而有氧運動相比較無氧運動能更大程度地增加PGC-1α 表達， 因此未來研究的焦點應集中于有氧運動對Irisin 的影響。

3.2 Sirt1 信號途徑與白色脂肪棕色化

哺乳動物Sirtuin 蛋白家族包含7 個成員（Sirtuin1-7），它們均以NAD+作為輔酶，發(fā)揮去乙?；富駻DP-核糖基轉移酶的活性作用，參與調控許多重要的生命過程，如基因沉默、肌肉分化和DNA損傷修復等。 Sirt1 是哺乳動物中第一個被發(fā)現(xiàn)的Sirtuin 蛋白家族成員， 也是目前研究最為深入的Sirtuin 蛋白。

Sirt1 與白色脂肪棕色化關系密切。Qiang 等[39]提出一種機制， 即Sirt1 介導PPARγ 脫乙?；饔每赡艽龠M白色脂肪棕色化。 Sirt1 激活后，PPARγ 募集Sirt1， 配體構象發(fā)生改變，PPARγ 脫乙?；鵏ys268和Lys293 位點。 在WAT 中，脫乙?；腜PARγ 與PRDM16 相作用， 促進能量的生成和白色脂肪棕色化。 現(xiàn)已確定Sirt1 作為PPARγ 脫乙酰酶，其效應可以模擬配體依賴性PPARγ 活化的結果， 該過程與PPARγ 募集棕色化輔因子PRDM16 和清除輔抑制物NCoR 相關。 PPARγ 配體的棕色化功能， 以及PPARγ 配體選擇性募集輔激活因子PRDM16 的能力應歸入到PPARγ 脫乙?；慕y(tǒng)一機制。白色脂肪組織中Sirt1 介導白色脂肪棕色化的功能，應當區(qū)別于棕色脂肪中Sirt1 的功能，因為研究者在小鼠實驗模型中未發(fā)現(xiàn)棕色脂肪Sirt1 有任何功能的增減。 值得注意的是，Sirt1 在室溫下不能誘導iWAT（subcutaneous WAT）的棕色化基因，提示Sirt1 介導的iWAT 棕色化需要激素和環(huán)境作用，比如冷暴露。因此，乙酰化PPARγ 的Lys268 和Lys293 可能被當作識別因素調節(jié)棕色化過程。 乙?；疨PARγ 的Lys268 和Lys293 有利于脂質存儲，相反，PPARγ 去乙?；鼓芰績Υ嫦虍a(chǎn)熱耗能轉化。

運動激活Sirt1 信號途徑的機制可能為熱量限制理論，當營養(yǎng)物可供機體利用時，Sirt1 處于無活性狀態(tài)，運動至能量耗竭時Sirt1 被激活[40]。目前尚沒有運動對白色脂肪Sirt1 活性影響的研究報道，但是有研究顯示不論是短時間大強度運動， 還是耐力運動均可增加骨骼肌Sirt1 的活性及其表達，且不受年齡等因素制約。 基于Sirt1 介導PPARγ 脫乙酰作用，促進白色脂肪棕色化，運動可能激活白色脂肪Sirt1，誘導白色脂肪棕色化（如圖2 所示）。

圖2 運動對白色脂肪轉分化的作用機制

4 小結

近年來對于棕色脂肪分化的研究有了很多新進展，對棕色脂肪的來源也有了新認識，即白色脂肪在一定條件下可以轉分化為棕色脂肪， 白色脂肪棕色化后能顯著提高機體的能量消耗， 因此棕色脂肪分化與肥胖的發(fā)生有密切關系， 也為減肥研究提供了新思路。目前研究發(fā)現(xiàn)，棕色脂肪分化的抑制因子主要有pRB、P107、RIP140 等， 誘導因子有PRDM16、PPARα、PPARγ、PGC-1α、Insulin/IGF-1、CREB 等，此外，microRNA 對棕色脂肪分化有調節(jié)作用。 運動對肥胖的干預可能通過Irisin、Sirt1 信號途徑誘導白色脂肪棕色化，但還需更多的實證研究。

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