丁思源,徐 涵,曾思睿,張金鵬,李依泓,張奎亮,王 立,李 言?
(1.江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214122;2.江南大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214122)
肥胖已成為全球性的公共衛(wèi)生問(wèn)題,會(huì)引發(fā)一系列慢性代謝疾病,其中II型糖尿病、高血壓、高脂血癥、心血管疾病等較為常見(jiàn)[1]。肥胖是機(jī)體能量攝入超過(guò)能量消耗而引起的脂肪過(guò)度堆積現(xiàn)象,如過(guò)量的食物攝入和較少的體育運(yùn)動(dòng)[2]。傳統(tǒng)的減肥藥主要通過(guò)抑制攝食中樞(如利拉魯肽)或抑制腸道脂肪吸收(如奧利司他)來(lái)降低能量攝入,從而達(dá)到減肥目的,但這往往會(huì)引起一些副作用。因此,通過(guò)安全有效的手段增加能量消耗是目前治療肥胖的新方向。
哺乳動(dòng)物體內(nèi)的脂肪組織主要分為白色脂肪組織(white adipose tissue,WAT)和褐色脂肪組織(brown adipose tissue,BAT)。WAT是能量?jī)?chǔ)存的主要場(chǎng)所,而BAT則是消耗能量的脂肪組織[3]。與以單個(gè)大脂滴為特征的白色脂肪細(xì)胞(white adipocytes,WAC)相比,褐色脂肪細(xì)胞(brown adipocytes,BAC)含有大量的線粒體和多房脂滴[4]。BAT通過(guò)組織特異性解偶聯(lián)蛋白 1(uncoupling protein 1,UCP1)介導(dǎo)的非顫抖性產(chǎn)熱在能量穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用。UCP1能將三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的產(chǎn)生和線粒體呼吸鏈解偶聯(lián),使儲(chǔ)存的化學(xué)能以熱能的形式釋放[2]。BAT最早被發(fā)現(xiàn)于16世紀(jì),被認(rèn)為只存在于冬眠的哺乳動(dòng)物和嬰兒體內(nèi)[5]。直到十多年前,研究者們?cè)诔赡耆梭w內(nèi)明確檢測(cè)到活躍的BAT[6]。近些年,BAT一直被認(rèn)為是治療肥胖及相關(guān)疾病的潛在靶標(biāo)[7]。在哺乳動(dòng)物和嬰兒中BAT位于肩胛間區(qū)和腎周,在成年人體內(nèi)存在于頸部和肋間脊髓周圍[8]。除了“經(jīng)典”的WAC和 BAC,另外一種在 WAT中發(fā)現(xiàn)的米色脂肪細(xì)胞(beige adipocytes,bAC),是一種在特定條件下可誘導(dǎo)的產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞[9]。雖然 BAC和 bAC分布在不同的解剖區(qū)域,并有不同的發(fā)育起源,但它們表現(xiàn)出許多相似的形態(tài)和代謝特征,包括大量的線粒體、多房脂滴和 UCP1表達(dá)等[10](圖1)。
圖1 脂肪細(xì)胞的三種類型Fig.1 Three types of adipocytes
BAC和 bAC為肥胖等相關(guān)疾病的治療提供了潛在的靶標(biāo)。現(xiàn)如今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)或合成了許多BAC和 bAC的外源性激活物,如米拉貝隆、西布曲明、氟西汀和羅格列酮等藥理因子,以及辣椒素、白藜蘆醇、姜黃素、類胡蘿卜素、花青素等營(yíng)養(yǎng)因子。然而,一些藥理因子對(duì)人體有不良影響,如引發(fā)心血管疾病,因此食物中的營(yíng)養(yǎng)因子對(duì)于BAC和bAC是更加健康安全的調(diào)節(jié)劑[11-12]。
谷物是滿足人類營(yíng)養(yǎng)需求的日常主食資源,精制谷物是谷物產(chǎn)品的主要原料。然而,由于谷物的外層和胚芽被碾磨加工去除,精制谷物缺乏膳食纖維(dietary fiber,DF)、酚類化合物和其他生物活性物質(zhì),導(dǎo)致許多代謝綜合征的風(fēng)險(xiǎn)增加[13]。全谷物比精制谷物更健康,并且已經(jīng)在許多國(guó)家受到密切關(guān)注[14]。美國(guó)谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)將全谷物食品定義為:完整、碾碎、破碎或壓片的穎果,基本的組成包括淀粉質(zhì)胚乳、胚芽與麩皮,各組成部分的相對(duì)比例與完整穎果一樣[15]。很多研究表明,全谷物中多酚、類胡蘿卜素、植物甾醇、礦物質(zhì)和維生素[16-17]等生物活性化合物的含量較高,有助于改善代謝綜合征,包括肥胖、高血壓、高脂血癥和高血糖癥。
本文簡(jiǎn)要介紹了產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞的基本功能特征和主要調(diào)節(jié)因素,總結(jié)了全谷物功能成分通過(guò)調(diào)節(jié)產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞功能影響能量代謝的研究進(jìn)展,希望能夠?yàn)槿任镎{(diào)節(jié)肥胖和全谷物功能食品開發(fā)提供更豐富的依據(jù)。
BAC和 bAC在發(fā)育起源上是不同的。BAC發(fā)育于胚胎期,而 bAC的發(fā)育則是在出生后。BAC具有相對(duì)穩(wěn)定的質(zhì)量水平,并且通過(guò)成年后的穩(wěn)態(tài)機(jī)制維持著產(chǎn)熱表型,而bAC會(huì)因寒冷或其他刺激而大量募集,具有可塑性的產(chǎn)熱表型,且很少在熱中性時(shí)檢測(cè)到[10]。
BAC起源于祖細(xì)胞,其特征在于同源異型盒基因 1(engrailed 1,En1)、肌源性因子 5(myogenic factor 5,Myf5)和配對(duì)盒蛋白 7(paired box 7,Pax7)的表達(dá),這些因子在骨骼肌的發(fā)育中也起關(guān)鍵作用[8-9]。在 BAC胚胎發(fā)育過(guò)程中,這些祖細(xì)胞首先發(fā)育為褐色前脂肪細(xì)胞,然后再分化為成熟的BAC,許多信號(hào)通路和信號(hào)因子參與到BAC的發(fā)育調(diào)節(jié)中[4]。
出生后的bAC由WAT中的非肌源性祖細(xì)胞響應(yīng)寒冷或其他刺激發(fā)育形成,然而它的胚胎起源比較復(fù)雜,尚未完全闡明[9,12,18]?,F(xiàn)有報(bào)道認(rèn)為bAC有三種主要的發(fā)育機(jī)制[10]。第一種是從頭脂肪合成機(jī)制,某些脂肪血管壁細(xì)胞或前脂肪細(xì)胞可以發(fā)育成bAC;第二種機(jī)制是表達(dá)脂聯(lián)素(一種成熟脂肪細(xì)胞的分子標(biāo)記物)的 WAC在寒冷或β腎上腺素激動(dòng)劑的刺激下轉(zhuǎn)化為bAC;最后一種可能的機(jī)制是,在寒冷或β腎上腺素刺激下休眠的bAC可以被快速激活,成為活躍的米色脂肪細(xì)胞。然而后面兩種機(jī)制很難被區(qū)分。
脂肪細(xì)胞的產(chǎn)熱能力對(duì)能量代謝具有重要意義。UCP1被認(rèn)為是脂肪細(xì)胞產(chǎn)熱能力的標(biāo)志[19]。但最近的研究表明還有其他不依賴UCP1的機(jī)制可調(diào)節(jié)bAC的產(chǎn)熱作用[20]。
UCP1位于線粒體內(nèi)膜上,可以消除內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子濃度差,使氧化磷酸化過(guò)程減慢,阻礙ATP產(chǎn)生,使電子傳遞鏈和氧化磷酸化解偶聯(lián),導(dǎo)致氧化磷酸化進(jìn)入空轉(zhuǎn),從而產(chǎn)熱[21]。在靜息態(tài),由于胞質(zhì)側(cè)的嘌呤核苷酸和UCP1相結(jié)合,UCP1的活性受到抑制。在寒冷或過(guò)量攝食的刺激下,交感神經(jīng)分泌去甲腎上腺素,去甲腎上腺素作用于脂肪細(xì)胞質(zhì)膜上的β腎上腺素受體,導(dǎo)致環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)依賴的蛋白激酶(protein kinase,PKA)的激活和激素敏感性脂肪酶(hormone-sensitive lipase,HSL)磷酸化水平的提高。由cAMP誘導(dǎo)的脂解作用產(chǎn)生的游離脂肪酸(free fatty acid,F(xiàn)FA)或是脂肪細(xì)胞從循環(huán)中吸收獲得的 FFA都會(huì)與UCP1結(jié)合以激活脂肪細(xì)胞的產(chǎn)熱活性[10,22]。此外,UCP1依賴性產(chǎn)熱還可以通過(guò)許多轉(zhuǎn)錄因子來(lái)增強(qiáng),包括甲狀腺激素、過(guò)氧化物酶體增殖激活受體(peroxisome proliferator activated receptor,PPAR)、C/EBP家族蛋白和cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response binding protein,CREB)[21]。
最近的研究結(jié)果表明[23],bAC中UCP1不依賴的產(chǎn)熱機(jī)制是由多種通路介導(dǎo)的,包括ATP依賴的鈣離子循環(huán)[24]、肌酸無(wú)效循環(huán)、脂質(zhì)循環(huán)、3-磷酸甘油穿梭和冷誘導(dǎo)的N-?;被峤馀悸?lián)劑等[25]。
全谷物中存在多種可以有效提高產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞活性的酚酸,如香草酸、沒(méi)食子酸、綠原酸。香草酸(4-羥基-3-甲氧基苯甲酸)是二羥基苯甲酸的衍生物,是香草醛和膳食酚的氧化形式[26],存在于有色大米[27]、全麥和黑麥麥芽中[28]。Jung等[26]研究發(fā)現(xiàn),香草酸促進(jìn)成熟和原代培養(yǎng)的BAC中線粒體和產(chǎn)熱相關(guān)因子的表達(dá),而降低白色前脂肪細(xì)胞(3T3L1)中成脂標(biāo)記物的表達(dá)。0.5%(w/w)香草酸干預(yù)14周促進(jìn)高果糖高脂飲食(high-fructose and high-fat diet,HFFD)小鼠的BAT和腹股溝白色脂肪(inguinal white adipose tissue,iWAT)中產(chǎn)熱和線粒體合成基因的表達(dá),表明香草酸可通過(guò)激活BAT產(chǎn)熱和促進(jìn)iWAT褐變來(lái)預(yù)防肥胖[30]。沒(méi)食子酸(3,4,5-三羥基苯甲酸)存在于在水稻,玉米和小麥中[27,31]。研究表明沒(méi)食子酸可激活腺苷單磷酸激活蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK),并增加C57BL/6小鼠BAT中UCP1以及與能量消耗相關(guān)基因的表達(dá)[32]。此外,沒(méi)食子酸可以增加雄性瑞士小鼠BAT中Sirt1和PPARγ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor-γ coactivator 1α,PGC1α)的mRNA表達(dá),而Sirt1是在沒(méi)食子酸處理下BAT產(chǎn)熱的主要靶標(biāo)[33]。綠原酸(5-O-咖啡??鼘幩幔┦橇u基肉桂酸的衍生物,存在于小麥、玉米和薏苡中[30,33-34]。研究發(fā)現(xiàn)綠原酸可通過(guò)上調(diào)產(chǎn)熱相關(guān)蛋白、增加線粒體的質(zhì)子泄漏并減少 ATP的產(chǎn)生來(lái)增強(qiáng) BAC中UCP1依賴性的產(chǎn)熱作用,但綠原酸并不能刺激BAC分化[35]。以上研究表明酚酸可通過(guò)激活A(yù)MPK或Sirt1增加BAC和bAC的產(chǎn)熱作用并改善線粒體功能。目前,不同類型酚酸的具體作用機(jī)理及效果對(duì)比還沒(méi)有更深入的研究,且相關(guān)人體臨床試驗(yàn)也需要進(jìn)一步開展。
矢車菊素-3-O-葡萄糖苷(cyanidin-3-glucoside,C3G)是有色谷物中的主要花色苷之一,如黑米、紫米和一些特定的玉米品種。不同谷物中的C3G含量不同,粗黑米糠,甜玉米和藍(lán)玉米雜種的C3G含量分別約為104.20、4.97和2.25 mg/100 g[36-39]。C3G能夠顯著影響產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞的能量代謝和產(chǎn)熱。You等[40]的研究表明,C3G在褐色脂肪形成過(guò)程中增加了UCP1、PRDM16和PGC1α等產(chǎn)熱相關(guān)基因在小鼠C3H10T1/2細(xì)胞(小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞)中的表達(dá)。You等[41]還發(fā)現(xiàn) C3G能夠提高BAT-cMyc細(xì)胞中線粒體生物合成相關(guān)基因的表達(dá),包括線粒體轉(zhuǎn)錄因子 A(mitochondrial transcription factor A,TFAM)和核呼吸因子 2(nuclear respiratory factor 2,NRF2)。C3G 以劑量依賴的方式(50和100 μmol/L)增加胞內(nèi)cAMP水平從而誘導(dǎo)3T3L1脂肪細(xì)胞中bAC的形成[42]。研究表明C3G通過(guò)激活Sirt1-PGC1α-TFAM信號(hào)通路促進(jìn)db/db小鼠(糖尿病小鼠)BAT中線粒體的生物合成和皮下白色脂肪組織(subcutaneous white adipose tissue,sWAT)中米色脂肪的形成[43]。C3G還可以通過(guò)增強(qiáng)BAT產(chǎn)熱和iWAT褐變來(lái)減輕 HFFD誘導(dǎo)的C57BL/6J小鼠肥胖癥狀[44]。因此,C3G可以通過(guò)增強(qiáng)脂肪產(chǎn)熱來(lái)消耗能量,有效預(yù)防肥胖。
此外,有研究者[45]指出,部分C3G可以與血液循環(huán)中血紅蛋白上的一組等效位點(diǎn)結(jié)合,而游離的C3G與結(jié)合的C3G處于平衡狀態(tài),當(dāng)血漿中游離C3G的含量與血紅蛋白的濃度比大于0.1時(shí),游離的C3G可從血液循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)至靶細(xì)胞。除C3G外,在稻米、小麥和黑麥中存在的矢車菊素-3-蕓苔苷(cyanidin-3-rutinoside,C3R)[46]可通過(guò)激活絲氨酸-蘇氨酸激酶(serine-threonine kinase,AKT)和胞外信號(hào)相關(guān)激酶-絲裂原活化蛋白激酶(extracellular signal-related kinase-mitogen-activated protein kinase,ERK-MAPK)信號(hào)通路來(lái)激活BAT產(chǎn)熱[41]。但是,尚未發(fā)現(xiàn)全谷物中其他花色苷對(duì)產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞調(diào)節(jié)作用的研究。
全谷物中含有大量DF,可以降低許多慢性疾病的發(fā)生率[47]。在高脂飲食(high fat diet,HFD)小鼠中,小麥和燕麥 DF通過(guò)激活 UCP1促進(jìn)WAT褐變,并通過(guò)cAMP-PKA-HSL途徑增強(qiáng)脂肪細(xì)胞的脂解作用。小麥和燕麥 DF干預(yù)降低了HFD小鼠的體重,并且DF增加了與WAT褐變和脂解相關(guān)蛋白的表達(dá)。燕麥DF喂養(yǎng)的HFD小鼠WAT中 PKA、PGC1α和 UCP1的表達(dá)高于小麥DF喂養(yǎng)的HFD小鼠,而小麥DF比燕麥DF更有效地增加 BAT中 PKA、UCP1、FGF21、脂肪三酰甘油脂酶和 β3-腎上腺素受體的表達(dá)[48]??剐缘矸凼侨任镏械牧硪环N DF[49],研究表明高抗性淀粉飲食可以增加飲食誘導(dǎo)肥胖大鼠的BAT中UCP1的表達(dá),并有效控制肥胖[50]。
β-葡聚糖是全谷物中主要的膳食纖維之一。已有研究發(fā)現(xiàn)[51],燕麥β-葡聚糖對(duì)小鼠肝臟和脾臟具有顯著的保護(hù)作用,并且還能降低由高脂飲食引起的血清總膽固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白膽固醇的升高,燕麥β-葡聚糖顯著上調(diào)PPARα基因的表達(dá),下調(diào)脂肪和膽固醇合成相關(guān)基因的表達(dá),表明燕麥β-葡聚糖可以通過(guò)促進(jìn)能量消耗及減少脂肪和膽固醇合成來(lái)控制體重,因此,可以推測(cè),β-葡聚糖或許在產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞的功能調(diào)控中也發(fā)揮作用,還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。
玉米黃質(zhì)和葉黃素是兩種脂溶性抗氧化劑,屬于類胡蘿卜素的葉黃素類[52]。玉米黃質(zhì)是葉黃素的立體異構(gòu)體,它們通常在自然資源中共存[53]。人體無(wú)法合成玉米黃質(zhì)和葉黃素,必須通過(guò)飲食攝取[54],尤其是玉米黃質(zhì)[55]。葉黃素可以通過(guò)誘導(dǎo)UCP1的表達(dá)來(lái)增加BAC的產(chǎn)熱作用,但會(huì)輕微影響B(tài)AC的增殖活性[56]。Liu等[57]研究了不同濃度(5、10、15 μM)玉米黃質(zhì)對(duì)3T3L1前脂肪細(xì)胞中BAC形成和線粒體生物發(fā)生的影響,發(fā)現(xiàn)玉米黃質(zhì)可以促進(jìn)褐色/米色脂肪標(biāo)記物的表達(dá)和線粒體生物發(fā)生,并且是通過(guò)激活A(yù)MPKα1實(shí)現(xiàn)的。目前,有關(guān)玉米黃質(zhì)或葉黃素對(duì)產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞活性影響的研究還非常少,尤其是體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。
植醇(3,7,11,15-四甲基十六烷基-2-烯-1-醇)是葉綠素的組成部分,屬于二萜類精油,存在于糧食作物的綠葉[58]和蕎麥的可食用部分[59]。植酸(3,7,11,15-四甲基十六酸)是植醇的衍生物,是一種甲基支鏈脂肪酸,存在于小麥、大麥和水稻等谷物中。植酸是在乙醇脫氫酶存在的情況下由植醇降解產(chǎn)生的,植醇首先轉(zhuǎn)化為醛,然后醛轉(zhuǎn)化并還原生成植酸。在人體內(nèi)游離植醇不能轉(zhuǎn)化為植酸,植酸也不能大量積累[60-61]。
以 0.2%或 0.5%(w/w)植醇干預(yù)高脂飲食KK-Ay小鼠(一種非胰島素依賴型糖尿病模型)5周后,BAC中的植酸水平呈劑量依賴性升高,激活PPARα并減輕肥胖引起的代謝性疾病[62]。植醇還可以通過(guò)激活A(yù)MPKα誘導(dǎo)小鼠iWAT褐變,并促進(jìn) 3T3L1細(xì)胞分化過(guò)程中 bAC的形成[63]。植酸可促進(jìn)小鼠BAC分化和UCP1基因的轉(zhuǎn)錄,從而激活BAT的產(chǎn)熱活性[64]。而且,植酸可通過(guò)激活PPARα促進(jìn)3T3L1前脂肪細(xì)胞的褐化,但不能促進(jìn)C3H10T1/2細(xì)胞向BAC細(xì)胞系分化[65]。因此,植醇和植酸能夠提高產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞的活性。
植醇和植酸主要通過(guò)激活PPARα或AMPKα促進(jìn)BAC和bAC分化來(lái)控制肥胖和相關(guān)疾病。此外,有研究推測(cè)植醇對(duì)BAC分化的促進(jìn)作用可能部分由植酸引起[63],但植醇和植酸在其中的具體作用機(jī)制還需進(jìn)一步研究。
蘆丁屬于一種常見(jiàn)的膳食類黃酮[66]。在谷物中,蘆丁主要存在于蕎麥,在苦蕎中的含量遠(yuǎn)高于普通蕎麥[67]。Gao等[68]研究發(fā)現(xiàn),蘆丁干預(yù)HFD小鼠8周后可顯著上調(diào)BAC中能量消耗相關(guān)基因的表達(dá),降低炎癥因子的表達(dá)。100 mg/kg蘆丁干預(yù)3周可增強(qiáng)脫氫表雄酮誘導(dǎo)的多囊卵巢綜合征大鼠的BAC活性,從而促進(jìn)產(chǎn)熱,并改善全身胰島素敏感性[69]。據(jù)報(bào)道[70],蘆丁還可以通過(guò)激活 Sirt1-PGC1α-TFAM 信號(hào)通路促進(jìn) sWAT中bAC的形成及提高BAC的活性。因此,蘆丁對(duì)產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞的調(diào)節(jié)起著重要作用,有利于增加能量消耗并降低炎癥。
二十八烷醇是一種高分子量的天然脂肪醇,廣泛存在于米糠和小麥胚芽中[71]。SHARMA等[72]使用60 mg/kg二十八烷醇對(duì)HFD和正常飲食小鼠灌胃給藥4周后,兩組小鼠的iWAT和BAT中產(chǎn)熱相關(guān)基因的表達(dá)均明顯增強(qiáng),表明二十八烷醇可以通過(guò)提高產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞的活性來(lái)維持體重并改善飲食誘導(dǎo)的肥胖。然而,二十八烷醇對(duì)iWAT和BAT適應(yīng)性產(chǎn)熱作用的確切分子機(jī)制有待闡明。
BAC和 bAC由于其顯著的產(chǎn)熱和能量消耗能力成為控制體重和能量代謝的有效靶標(biāo)。調(diào)節(jié)BAC和 bAC的信號(hào)通路和相關(guān)因子多種多樣,全谷物中的多種功能性成分可通過(guò) Sirtl-PGC1α-TFAM、AKT/ERK MAPK、cAMP-PKA-HSL及AMPK信號(hào)通路調(diào)節(jié)BAC和bAC的活性。除了產(chǎn)熱作用,全谷物膳食還可以通過(guò)調(diào)節(jié)產(chǎn)熱脂肪活性改善機(jī)體胰島素敏感性和脂質(zhì)代謝,因此,增加全谷物的攝入對(duì)人體健康是非常有益的。
后續(xù)關(guān)于全谷物功能成分調(diào)節(jié)產(chǎn)熱脂肪代謝的研究可以從以下幾個(gè)方面開展:(1)對(duì)全谷物功能成分在體內(nèi)的代謝產(chǎn)物進(jìn)行鑒定,這些代謝物可能是影響產(chǎn)熱脂肪更直接的物質(zhì);(2)開展人體實(shí)驗(yàn),明確適合臨床試驗(yàn)的相對(duì)更有效的功能成分,并進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用性研究;(3)根據(jù)不同性別、年齡、肥胖誘因制定含有不同功能成分及配比的全谷物膳食。這將有助于更細(xì)致地理解全谷物功能成分對(duì)產(chǎn)熱脂肪活性的調(diào)控機(jī)理,進(jìn)而為全谷物功能食品的進(jìn)一步開發(fā)提供更豐富的依據(jù)。
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