自噬對(duì)脂肪細(xì)胞脂質(zhì)代謝及分化調(diào)節(jié)的研究進(jìn)展

周 曄，陳淑芹，金 庸，勵(lì) 麗*

(1.寧波大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，浙江 寧波315211；2.寧波市第一醫(yī)院 內(nèi)分泌科，浙江 寧波315010)

脂肪組織是機(jī)體主要的能量?jī)?chǔ)存庫(kù)，是分泌脂肪因子和激素以維持代謝穩(wěn)態(tài)的內(nèi)分泌器官。根據(jù)不同細(xì)胞起源通常將脂肪組織分成3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(beige adipose tissue)。白色脂肪細(xì)胞包含單個(gè)脂滴及少量線粒體。棕色脂肪細(xì)胞包含多個(gè)脂滴及豐富的線粒體，通過(guò)線粒體解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein 1, UCP1)將能量以熱量的形式散發(fā)，表現(xiàn)出獨(dú)特的生熱作用，因此可以抵抗肥胖和與肥胖相關(guān)的疾病，如2型糖尿病等[1]。米色脂肪細(xì)胞是位于WAT內(nèi)的棕色化細(xì)胞，有著與棕色脂肪細(xì)胞相似的產(chǎn)熱功能，其UCP1的表達(dá)水平高于白色脂肪細(xì)胞，可由冷暴露或β-腎上腺素能受體(β-adrenergic receptor,β-AR)激動(dòng)劑的刺激而誘導(dǎo)產(chǎn)生[2]。目前有大量研究表明自噬能夠影響不同器官(如肝臟、脂肪組織、胰腺等)的脂質(zhì)代謝，但不同的自噬類型對(duì)于脂肪細(xì)胞中的脂質(zhì)代謝及脂肪細(xì)胞的分化未有系統(tǒng)報(bào)道，故本文對(duì)此作一闡述。

1 自噬的概述及分類

自噬可將細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和細(xì)胞器運(yùn)送至溶酶體進(jìn)行降解和再循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞代謝和細(xì)胞器更新，在調(diào)節(jié)細(xì)胞能量代謝和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)存中起著關(guān)鍵作用。通過(guò)細(xì)胞運(yùn)送底物至溶酶體的不同途徑，通常將自噬分為：巨自噬、分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)和微自噬，該3種自噬形式均參與脂滴的分解代謝。

脂滴是生物體內(nèi)主要的脂質(zhì)儲(chǔ)存形式，是脂肪細(xì)胞內(nèi)的標(biāo)志性細(xì)胞器[3]。脂滴形成于脂肪細(xì)胞終末分化階段，體積逐漸增大的脂滴分別填充于分化成熟的單個(gè)白色脂肪細(xì)胞中。脂滴的核心主要由中性脂肪三酰甘油(triglyceride, TG)和總膽固醇(total cholesterol, TC)組成，外側(cè)由單層磷脂和大量脂蛋白(主要是脂蛋白家族，perilipins, PLINs)組成。在能量正平衡狀態(tài)下，多余的能量轉(zhuǎn)化為TG，并沉積在脂肪細(xì)胞的脂滴中，導(dǎo)致WAT膨脹；在能量負(fù)平衡狀態(tài)下，TG被胞質(zhì)脂肪酶連續(xù)水解釋放游離脂肪酸(free fatty acids, FFAs)，氧化后為機(jī)體提供能量[4]。同時(shí)，脂滴也可進(jìn)入另一種途徑——脂噬，即通過(guò)自噬溶酶體介導(dǎo)對(duì)脂滴進(jìn)行選擇性降解，從而釋放游離脂肪酸(FFAs)[5](圖1)。脂噬與傳統(tǒng)脂肪酶介導(dǎo)的脂解作用一同在脂質(zhì)代謝中發(fā)揮重要作用，對(duì)機(jī)體健康具有極大意義，不僅影響脂肪細(xì)胞的脂質(zhì)代謝，而且還與多種代謝性疾病密切相關(guān)(例如肥胖癥、2型糖尿病、脂肪肝和動(dòng)脈粥樣硬化等)[6-7]。另外，根據(jù)正在降解的貨物類型也可以將自噬進(jìn)行定性分類，如自噬對(duì)線粒體的降解稱為線粒體自噬。由于線粒體內(nèi)膜上含有大量的UCP1，因此線粒體自噬對(duì)于棕色脂肪細(xì)胞的失活以及從米色到WAT的轉(zhuǎn)變有重要意義[8]。了解自噬對(duì)脂肪細(xì)胞的分化調(diào)節(jié)，有助于了解肥胖的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，進(jìn)一步提供治療及預(yù)防肥胖的新思路。

2 自噬對(duì)脂肪細(xì)胞中脂質(zhì)代謝的影響

2.1 巨自噬對(duì)脂肪細(xì)胞中脂質(zhì)代謝的影響

巨自噬是細(xì)胞自噬的主要類型，胞質(zhì)細(xì)胞器和可溶性物質(zhì)被隔離在雙膜自噬體中，形成自噬泡，隨后與溶酶體融合形成自噬溶酶體，其內(nèi)容物被溶酶體酶混合并降解，降解產(chǎn)物(如氨基酸等)可釋放回細(xì)胞中重復(fù)利用。該過(guò)程可由30多種自噬相關(guān)基因(autophagy-related genes, ATG)調(diào)控，并且這些基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物可以具有自噬的獨(dú)立功能[9]。巨自噬的激活不僅能夠?qū)⒅无D(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體，通過(guò)酸性脂肪酶進(jìn)行降解，同時(shí)也可通過(guò)中性脂肪酶增強(qiáng)脂解作用，盡管其與脂解作用有著相似的作用，但二者的交互調(diào)控機(jī)制仍不明確。SIRT3是NAD+依賴性的脫乙酰酶家族成員，主要位于線粒體之中， SIRT3表達(dá)會(huì)增加AMPK及FOXO3的磷酸化，從而直接激活其下游信號(hào)ULK1蛋白， 最終引起脂肪細(xì)胞發(fā)生的巨自噬[10]。另外，脂解抑制劑DEUP可部分阻斷SIRT3誘導(dǎo)的脂肪細(xì)胞中TG含量降低。由此提示，SIRT3同時(shí)通過(guò)脂噬及脂解作用減少脂肪細(xì)胞中脂質(zhì)累積。

圖1 脂噬的三種主要類型Fig 1 Three major types of lipophagy

巨自噬對(duì)白色脂肪細(xì)胞和米色脂肪細(xì)胞的棕色化及脂肪細(xì)胞的分化起了重要作用。在3T3-L1前脂肪細(xì)胞中，敲除自噬體形成所需的基因ATG7或ATG5后，可阻斷其分化為成熟脂肪細(xì)胞，使脂質(zhì)沉積減輕，小鼠WAT中白色脂肪細(xì)胞減少的同時(shí)伴隨著米色脂肪細(xì)胞數(shù)量增加[11]。此外，覆盆子酮能通過(guò)增加BAT特異性蛋白的表達(dá)來(lái)誘導(dǎo)3T3-L1前脂肪細(xì)胞棕色化，同時(shí)顯著降低自噬相關(guān)蛋白ATG12的表達(dá)[12]；亞砷酸鹽通過(guò)對(duì)SESTRIN2和ULK1表達(dá)的下調(diào)從而抑制自噬，阻礙棕色脂肪細(xì)胞的分化和功能[13]。然而，這些研究是用未分化的脂肪細(xì)胞或通過(guò)種系遺傳操縱產(chǎn)生的小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此不受脂肪細(xì)胞分化的影響而單獨(dú)評(píng)估自噬對(duì)成熟脂肪細(xì)胞的影響較為困難。最近一項(xiàng)研究用亮抑酶肽抑制脂肪特異性蛋白27敲除(FSP27 KO)成年小鼠的自噬以排除該作用對(duì)BAT分化的影響后，抑制自噬能夠減少BAT中脂滴的降解[14]。由此可見(jiàn)抑制自噬可以促進(jìn)WAT棕色化，即WAT表現(xiàn)出BAT特征，是預(yù)防和治療肥胖癥和相關(guān)代謝疾病的潛在治療目標(biāo)。

2.2 CMA對(duì)脂肪細(xì)胞中脂質(zhì)代謝的影響

CMA可引發(fā)脂滴表面蛋白的降解，主要由AMPK信號(hào)調(diào)節(jié)，是近幾年發(fā)現(xiàn)的參與脂質(zhì)分解及儲(chǔ)存的新角色。在脂滴的表面覆蓋有數(shù)百種蛋白質(zhì)，與脂解及脂噬密切相關(guān)的蛋白為PLINs(PLINs1-5)，其能夠調(diào)控進(jìn)入TG和TC核心的通道，因此成為了脂噬和脂解的主要控制點(diǎn)[15]。PLIN1主要表達(dá)于脂肪細(xì)胞中，一旦檢測(cè)到脂解信號(hào)，PLIN1就會(huì)迅速磷酸化并釋放CGI-58基因，最終激活脂肪甘油三酸酯脂酶(adipose triglyceride lipase, ATGL)以啟動(dòng)脂解。在3T3-L1前脂肪細(xì)胞中，脫乙?；窼IRT3通過(guò)AMPK介導(dǎo)的PLIN1磷酸化來(lái)激活CMA以誘導(dǎo)脂滴分解[10]。在腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)激活的鼠3T3-L1的脂肪細(xì)胞中，可通過(guò)SQSTM1/p62選擇性識(shí)別并降解PLIN1，從而促進(jìn)自噬介導(dǎo)的脂解過(guò)程[15]。PLIN2和PLIN3在細(xì)胞中普遍表達(dá)，均帶有KFERQ樣肽基序，該基序是與熱休克蛋白HSC70結(jié)合和易位至溶酶體所必需的，這些基序的突變使PLIN蛋白積累，因此導(dǎo)致脂噬及脂解水平的減少[16]。HSC70對(duì)PLIN2/3的識(shí)別早于AMPK介導(dǎo)的磷酸化，這可能促進(jìn)PLIN釋放從而降解。在脂解作用增強(qiáng)時(shí)，CMA可降解PLIN2/3，促進(jìn)脂滴與胞質(zhì)脂肪酶ATGL的結(jié)合(即更高的脂解速率)。在這同時(shí)，脂滴中自噬體形成與溶酶體的融合導(dǎo)致了TG的降解，可見(jiàn)CMA也參與了巨自噬介導(dǎo)的脂解過(guò)程，從而將CMA定位為巨自噬和胞質(zhì)脂解的關(guān)鍵上游調(diào)節(jié)劑[16]。

綜上所述，CMA至少通過(guò)兩種不同的機(jī)制來(lái)促進(jìn)脂質(zhì)代謝，即脂肪酶的降解和脂滴表面蛋白的選擇性降解。目前這些研究是在鼠成纖維細(xì)胞或肝細(xì)胞中進(jìn)行的，尚無(wú)在體內(nèi)脂肪組織中關(guān)于CMA活性的研究，有研究者開(kāi)發(fā)了一種KFERQ-Dendra轉(zhuǎn)基因小鼠模型，初步對(duì)其體內(nèi)的脂肪組織進(jìn)行分析，表明BAT中的基礎(chǔ)CMA活性比WAT高10倍[17]。該小鼠模型可以特異性分析不同細(xì)胞類型中基礎(chǔ)及誘導(dǎo)后CMA活性，為今后研究不同脂肪細(xì)胞中CMA對(duì)脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)提供了可能。

2.3 微自噬對(duì)脂肪細(xì)胞中脂質(zhì)代謝的影響

微脂噬是指溶酶體膜凹陷或突出，將脂滴包裹到溶酶體囊泡中隨后被降解的過(guò)程[18]。例如，在酵母細(xì)胞受到氮饑餓、葡萄糖消耗及磷脂失衡等刺激條件下，酵母溶酶體膜內(nèi)陷將脂滴吸收到溶酶體中進(jìn)行降解。在3T3-L1分化成熟的脂肪細(xì)胞中，輕度的線粒體解偶聯(lián)能夠誘導(dǎo)一種不依賴于脂肪酶(如HSL和ATGL)的脂解過(guò)程，微自噬在該過(guò)程可能起了重要作用[19]。關(guān)于微自噬對(duì)脂質(zhì)代謝的研究大部分在酵母中進(jìn)行，哺乳動(dòng)物中微自噬的機(jī)制和生理相關(guān)性研究甚少，因此很難判斷酵母中的發(fā)現(xiàn)與哺乳動(dòng)物之間的相關(guān)性，微自噬對(duì)脂肪細(xì)胞中脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)也需要進(jìn)一步的探索。

3 自噬對(duì)調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞分化的作用

3.1 自噬與脂肪細(xì)胞分化的關(guān)系

脂肪細(xì)胞分化是一個(gè)高度精細(xì)的調(diào)控過(guò)程，自噬對(duì)脂肪細(xì)胞的分化至關(guān)重要。3T3-L1前脂肪細(xì)胞分化為白色脂肪細(xì)胞會(huì)引起TG大量積累，而抑制自噬的同時(shí)也抑制了TG積累[11]。在缺乏自噬的細(xì)胞中，脂肪細(xì)胞分化的標(biāo)志物(如脂肪細(xì)胞蛋白2、脂肪酸合酶、硬脂酰輔酶A去飽和酶1和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4)被誘導(dǎo)的程度較小，這表明TG無(wú)法積累的原因是繼發(fā)于脂肪細(xì)胞分化受損[11]。由此可見(jiàn)，抑制自噬能夠減少脂肪分化終末階段中主要調(diào)控因子的表達(dá)。

3.2 線粒體自噬對(duì)脂肪細(xì)胞分化的影響

線粒體自噬是一種降解線粒體的選擇性自噬形式，該過(guò)程對(duì)富含有線粒體的細(xì)胞(如棕色、米色脂肪細(xì)胞)起著關(guān)鍵作用，能夠調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞分化及維持米色脂肪細(xì)胞的平衡[2]。當(dāng)自噬被抑制時(shí)，撤除脂肪組織棕色化刺激因素(冷暴露、β3-AR等)后，皮下WAT中仍能保留高水平的UCP1和線粒體含量[20]。換而言之，抑制線粒體自噬能夠維持米色脂肪細(xì)胞的形態(tài)與功能。此外，F(xiàn)AM134B蛋白能夠通過(guò)促進(jìn)線粒體自噬來(lái)促進(jìn)3T3-L1前脂肪細(xì)胞的分化，F(xiàn)AM134B過(guò)表達(dá)小鼠的性腺WAT重量較對(duì)照組增加78%，TG易以脂滴的形式儲(chǔ)存于脂肪細(xì)胞中[21]。根據(jù)自噬在不同脂肪細(xì)胞中的作用顯示，抑制自噬能更好地預(yù)防肥胖癥，原因在于減少白色脂肪細(xì)胞中脂滴的形成，同時(shí)促進(jìn)米色或棕色脂肪細(xì)胞中的能量消耗。

線粒體自噬不僅對(duì)白色脂肪細(xì)胞和米色脂肪細(xì)胞的轉(zhuǎn)變起作用，也參與了棕色脂肪細(xì)胞的活性調(diào)節(jié)[22]。棕色脂肪細(xì)胞特異性ATG7基因敲除(ATG7BKO)小鼠的BAT相比對(duì)照組顏色更紅，脂滴的數(shù)量及體積均較小，由于線粒體含量和UCP1表達(dá)的增加，有更高的脂肪酸氧化速率，因此有更好BAT活性和全身能量代謝[22]。盡管線粒體含量增加，但ATG7BKO小鼠的BAT中PGC1α和UCP的轉(zhuǎn)錄水平卻下調(diào)，自噬不足可能會(huì)激活一種負(fù)反饋機(jī)制，抑制線粒體的生物發(fā)生信號(hào)和產(chǎn)熱活性?？偠灾?，棕色脂肪細(xì)胞的自噬在調(diào)節(jié)BAT活性和全身能量代謝中起關(guān)鍵作用。線粒體能夠促進(jìn)脂肪細(xì)胞內(nèi)的脂肪酸氧化，促進(jìn)脂類代謝，但是其在棕色或米色脂肪細(xì)胞中脂類代謝的詳細(xì)機(jī)制及作用尚不明確。

3.3 自噬在脂質(zhì)合成代謝中的作用

盡管有明確證據(jù)表明自噬調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞分化，但自噬介導(dǎo)的脂肪形成(adipogenesis)的分子機(jī)制仍不清楚。自噬可能直接調(diào)節(jié)脂肪形成的一種或多種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的表達(dá)，或通過(guò)細(xì)胞質(zhì)重塑促進(jìn)脂肪生成。目前大量研究表明自噬在脂滴合成代謝中起主要作用，但這并不意味著脂肪形成需要所有與自噬相關(guān)的基因。敲除ATG2a或ATG9a對(duì)3T3-L1脂肪細(xì)胞的分化沒(méi)有明顯影響，這可能是由于其他基因的功能冗余所致，而ATG4b被視為是成脂因子C/EBPβ的靶基因，其與ATG5和ATG7一樣，是參與調(diào)控脂肪形成的重要自噬相關(guān)基因[23]。此外，小鼠模型中促進(jìn)自噬會(huì)加速KLF2和KLF3(脂肪細(xì)胞分化的負(fù)調(diào)節(jié)劑)的降解，從而上調(diào)PPAR-γ和C/EBPβ的表達(dá)(脂肪分化的正效應(yīng)調(diào)節(jié)劑)，有利于脂肪的形成[23]。以往研究認(rèn)為WAT細(xì)胞更新很慢，但實(shí)際上成年人每年有10%的脂肪細(xì)胞進(jìn)行替換，自噬在其中發(fā)揮重要作用。目前有關(guān)自噬在脂肪細(xì)胞分化及脂質(zhì)合成方面的作用機(jī)制尚不清楚，需進(jìn)一步的研究明確相應(yīng)機(jī)制。

4 問(wèn)題與展望

近幾年自噬在調(diào)節(jié)脂類代謝及脂肪細(xì)胞分化方面的取得較大進(jìn)展，該領(lǐng)域的研究加深了對(duì)自噬和體內(nèi)脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)及其相關(guān)機(jī)制的理解。然而，自噬與脂解途徑互相作用的分子機(jī)制仍不明確，目前仍然缺乏關(guān)于直接調(diào)節(jié)脂滴與自噬體或溶酶體之間相互作用的分子機(jī)制，尋找此過(guò)程的關(guān)鍵蛋白在細(xì)胞生物學(xué)和生理學(xué)方面有較大的意義。另外，CMA和微自噬在脂肪細(xì)胞中發(fā)揮的作用仍不十分明確。與傳統(tǒng)的脂解途徑相比，尚不清楚棕色/米色脂肪組織中脂噬作用與產(chǎn)熱的功能關(guān)系，需要進(jìn)一步研究來(lái)確定自噬在成熟脂肪細(xì)胞中的作用。

前期工作發(fā)現(xiàn)了在棕色脂肪細(xì)胞中表達(dá)豐富的Adssl1基因(能夠改變細(xì)胞內(nèi)嘌呤核苷酸的濃度)，該基因敲低組細(xì)胞內(nèi)自噬水平增加，進(jìn)而影響細(xì)胞內(nèi)UCP1的活性、表達(dá)及能量代謝，因此，深入研究脂噬可以為靶向治療肥胖癥、2型糖尿病等各種代謝性疾病開(kāi)辟新的治療途徑。