脂肪組織衰老的細胞學改變及其分子機制研究進展

葉雅芬，楊穎，韓峻峰

（上海交通大學醫(yī)學院附屬第六人民醫(yī)院內分泌代謝科，上海市糖尿病研究所，上海 200233）

脂肪組織是機體重要的能量儲存器和內分泌器官，參與維持代謝穩(wěn)態(tài)。脂肪組織衰老是增齡或DNA 損傷、線粒體功能障礙和有絲分裂持續(xù)激活等多種壓力刺激導致組織功能減退的狀態(tài)[1]，其表現(xiàn)為脂肪細胞衰老，干細胞或免疫細胞的蓄積及這3 種細胞衰老相關分泌表型。其中，衰老相關分泌表型產(chǎn)生的促炎細胞因子和趨化因子可介導機體發(fā)生廣泛低度慢性炎癥，進一步加速衰老進程[2]。通過干預以恢復脂肪組織功能，可改善組織炎癥和肌肉力量，從而延緩機體衰老進程并延長壽命[3]。因此，脂肪組織是衰老干預的潛在靶點，全面了解脂肪組織衰老的細胞生物學改變及其分子機制具有重要意義。本文就近年來對脂肪組織衰老的新進展及干預措施作一綜述。

脂肪組織分類及功能

一、分類

脂肪組織主要分為白色脂肪組織（white adipose tissue,WAT）、棕色脂肪組織（brown adipose tissue,BAT）和米色脂肪組織3 種類型。WAT 根據(jù)其生理分布又分為皮下脂肪組織和內臟脂肪組織，參與脂質儲存和動員、細胞因子分泌以及免疫調節(jié)。而BAT 含量在新生兒時期最高，成人主要分布于頸部、腎上腺、椎旁以及大血管周圍，主要參與調節(jié)能量消耗和糖脂代謝。米色脂肪組織可在冷暴露和交感神經(jīng)興奮條件下產(chǎn)生，散在分布于皮下脂肪組織[4]。

二、功能

能量攝入過剩時，WAT 增加，將能量轉化為脂質形式儲存；產(chǎn)熱時，脂肪組織攝取循環(huán)游離脂肪酸，以非顫抖性產(chǎn)熱方式消耗能量[5]；而當能量攝入不足時，儲存在WAT 中的甘油三酯分解，釋放游離脂肪酸，供其他組織氧化利用[5]。因此，脂肪組織功能的維持在機體營養(yǎng)感應和能量代謝中發(fā)揮著重要作用。

脂肪組織由脂肪細胞和血管基質細胞成分組成，而后者占脂肪組織總細胞數(shù)的60%～80%，包括脂肪祖細胞和干細胞、內皮細胞以及多種類型的免疫細胞[4,6]?；趩渭毎麥y序分析發(fā)現(xiàn)，脂肪祖細胞和干細胞包含脂肪干細胞、前體脂肪細胞和脂肪生成調節(jié)因子，這些不同的細胞亞群沿脂肪分化成脂軌跡排序，形成了嚴格的層次結構[7]。脂肪組織免疫細胞群包括淋巴細胞、第2 組先天淋巴細胞、巨噬細胞和嗜酸性粒細胞等，調節(jié)組織穩(wěn)態(tài)和新陳代謝[8]。不同類型細胞的質量和相對比例的動態(tài)重塑對于脂肪組織正常功能的維持十分重要。

隨著年齡的增長，脂肪組織中成熟脂肪細胞和血管基質細胞成分均可發(fā)生衰老，呈現(xiàn)脂肪細胞功能紊亂或血管基質細胞分化受限[9]。脂肪祖細胞數(shù)量和質量受損將導致脂肪組織更新障礙，而脂肪組織細胞成分的改變則能誘導其能量儲存和消耗功能障礙，最終導致營養(yǎng)感應失調。

脂肪組織衰老的定義和表現(xiàn)

細胞衰老是受端粒磨損、DNA 損傷、氧化應激或癌基因激活等多種細胞應激源刺激而出現(xiàn)的不可逆的生長停滯，其表現(xiàn)為細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑（P21 和P16）的上調、DNA 損傷增加、β-半乳糖苷酶活化和衰老相關分泌表型等衰老表型[10]。

細胞衰老被認為是組織功能障礙的重要原因。脂肪組織衰老是指在增齡或肥胖等生理條件及病理條件下，脂肪細胞、祖細胞和干細胞等多種細胞發(fā)生衰老，呈現(xiàn)豐度、分布、細胞成分和內分泌信號等方面的顯著變化以及相應表型，融合了慢性低度炎癥、大分子損傷、祖細胞功能障礙和細胞衰老等多種特征的脂肪組織功能退化[10-11]。

同時，脂肪組織衰老也是全身衰老的早期表現(xiàn)和促發(fā)因素[11-12]。有研究對處于10 個不同年齡段小鼠的17 個器官進行RNA 測序后發(fā)現(xiàn)，中年小鼠的WAT 比其他器官更早出現(xiàn)衰老相關的分子變化[12]。故有學者提出，年齡相關的機體微環(huán)境改變部分源于WAT。在年齡相關的血漿蛋白變化和各器官相應基因的表達豐度的關聯(lián)性分析研究中，發(fā)現(xiàn)了骨膜蛋白等8 種來源于WAT 的血漿蛋白，這可能是促進全身衰老的關鍵因素[8,12]。因此，干預脂肪組織衰老過程有助于延緩機體衰老。

近年來，脂肪組織衰老的特征及其細胞生物學的改變、分子機制的調控頗受關注。以下，筆者將根據(jù)脂肪組織的分類，對脂肪組織衰老的細胞學和分子生物學特征研究進展，進行詳細闡述。

一、WAT

WAT 具有脂質儲存、能量釋放和內分泌信號轉導等功能。脂肪組織衰老發(fā)生后，脂肪細胞數(shù)量和大小改變、免疫細胞浸潤、胰島素信號轉導及兒茶酚胺信號通路受損等，可導致脂質儲存和分解失調。

1.脂質儲存減少：脂肪生成受損是WAT 脂質儲存減少的原因之一。（1）具有分化潛能的脂肪祖細胞和干細胞豐度是皮下脂肪組織擴張的重要決定因素。隨著年齡的增長，脂肪祖細胞和干細胞的增殖和分化能力逐漸下降[13]。近期，Nguyen 團隊通過酶解年輕小鼠和老年小鼠的皮下脂肪組織，分離并鑒定了CD34+Pdgfrα+Pref-1+的衰老依賴性調節(jié)細胞（aging-dependent regulatory cell，ARC）。該細胞在48 周齡小鼠皮下脂肪組織中被檢出，并呈年齡依賴性特異性上調，該細胞群炎癥標志基因和趨化因子表達顯著增加，同時促脂肪形成基因Dusp10 表達降低，而Id3、Klf2 和Klf7 等抗脂肪形成基因顯著上調[14]。體外細胞培養(yǎng)實驗中，成脂標志基因檢測及油紅O 染色實驗進一步證實ARC 分化為成熟脂肪細胞的功能受損，且其可分泌Ccl6 等趨化因子，抑制前體脂肪細胞的增殖和分化，進一步導致前脂肪細胞數(shù)量減少和脂肪生成減少[14]。

（2）脂肪細胞肥大：脂肪細胞肥大可導致WAT 脂質儲存減少。脂肪細胞肥大是對營養(yǎng)過剩的適應性反應，可維持脂肪組織對多余能量的緩沖能力并保護其他組織免受脂毒性。當超過一定閾值時，肥大的脂肪細胞將喪失營養(yǎng)緩沖能力，導致脂質儲存功能受損，外周組織發(fā)生脂質異位沉積[15]。白色脂肪細胞隨著身體質量指數(shù)的增加或年齡的增加而肥大，肥大的脂肪細胞表面積/體積比值降低，導致營養(yǎng)儲存和轉運效率低下，從而促進脂肪組織功能障礙和全身代謝紊亂[16]。既往研究發(fā)現(xiàn)，人皮下脂肪組織及內臟脂肪組織中的脂肪細胞大小與糖化血紅蛋白水平均呈正相關[15]。關于細胞肥大的機制，最新研究報道，肥胖和高胰島素血癥可激活細胞周期程序，誘導成熟脂肪細胞完成分裂間期S期，并滯留于G2期，促使細胞核DNA 復制，導致脂肪細胞肥大和早衰[1]。

（3）免疫細胞浸潤：免疫細胞浸潤是影響脂肪組織脂質儲存的關鍵因素。隨著單細胞測序技術的發(fā)展，越來越多研究關注到脂肪組織駐留免疫細胞在脂肪組織發(fā)育和代謝維持中的作用。內臟脂肪組織駐留巨噬細胞在衰老相關分泌表型作用下極化為M1 促炎型，高表達組織煙酰胺腺嘌呤二核苷酸消化酶CD38，揭示了煙酰胺腺嘌呤二核苷酸減少與內臟脂肪細胞衰老間的因果關系[17]。在老年人類和小鼠內臟脂肪組織中組織駐留記憶T 細胞表型（CD44highCD62LlowCD69+）的γδ T 細胞表達增加，如清除后，可降低內臟脂肪組織和全身白細胞介素6 水平，緩解組織衰老相關炎癥[18]。

此外，調節(jié)性T細胞（immune regulatory T cell，Treg 細胞）在生理條件下具有免疫抑制性，在脂肪組織中可抑制效應T 細胞和其他免疫細胞的活性以維持胰島素敏感性，但衰老小鼠內臟脂肪組織中Treg 細胞增多，導致了胰島素抵抗，推測免疫細胞的時空動態(tài)平衡是脂肪組織功能維持所必需的[19]。老化的脂肪組織中的B 細胞在雌鼠中呈現(xiàn)年齡依賴性增加，而將其清除后可改善老年小鼠內臟脂肪組織中Treg 細胞的積累，從而改善免疫重塑[20]。組織駐留免疫細胞在衰老狀態(tài)下會分泌炎性細胞因子，引起組織炎癥，從而阻斷胰島素信號通路，導致脂肪細胞儲存脂質減少[20]。

衰老脂肪組織中脂肪細胞數(shù)量和大小的改變均可直接影響脂肪細胞脂質儲存，而免疫細胞的浸潤也可通過影響前體脂肪細胞的分化或胰島素信號通路等間接影響脂質儲存。

2.脂質分解受損：正常情況下，小鼠饑餓時交感神經(jīng)系統(tǒng)分泌兒茶酚胺，促進脂肪細胞的脂質分解[5]。而在老年小鼠內臟脂肪組織中，炎性小體NLRP3 促使脂肪組織巨噬細胞高表達兒茶酚胺降解酶單胺氧化酶A，從而阻斷兒茶酚胺信號[21]。此外，炎性小體NLRP3 刺激老年雌鼠內臟脂肪組織組織駐留老化脂肪B 細胞擴增，損害胰島素敏感性和脂肪分解[20]。敲除老年小鼠的NLRP3 基因，禁食誘導下的脂肪分解恢復，循環(huán)游離脂肪酸增加，進而維持冷暴露下老年小鼠的核心溫度[20-21]，說明脂質分解受到脂肪組織炎癥的影響。NLRP3 炎性小體是先天免疫細胞的一種細胞內模式識別受體，可被多種損傷相關分子模式激活，但在WAT 中的具體觸發(fā)因素仍然未知[20]。

二、BAT

BAT 以耗能、產(chǎn)熱為主。近年來發(fā)現(xiàn)，BAT 可作為內分泌器官，通過自分泌或旁分泌方式發(fā)揮作用。BAT 衰老主要表現(xiàn)為產(chǎn)熱受損和內分泌功能紊亂。

1.產(chǎn)熱受損：BAT 產(chǎn)熱能力可能與脂質成分、細胞類型、能量攝入和利用相關，產(chǎn)熱脂肪細胞數(shù)量減少或活化受限、能量底物攝取和氧化不足以及線粒體呼吸鏈復合物酶活性的降低均可導致機體產(chǎn)熱受損。

老年小鼠棕色脂肪細胞肥大，多房小脂滴逐漸變大。代謝組學揭示細胞中脂質沉積以神經(jīng)酰胺增多為主[22]。體外實驗用神經(jīng)酰胺C16 處理前脂肪細胞后，成脂基因和產(chǎn)熱基因的表達均下調，表明脂肪細胞分化受損[22]。棕色脂肪細胞生成減少導致衰老過程中脂肪組織更新受阻，加劇了代謝功能障礙。

單細胞測序技術揭示，BAT 中存在2 種不同的類型，分別為高表達UCP1 的高產(chǎn)熱細胞群和高脂肪酸攝取的低產(chǎn)熱細胞群。正常情況下，冷暴露誘導大量低產(chǎn)熱細胞向高產(chǎn)熱細胞轉化；而在中老年小鼠中，這種細胞轉化受損，導致脂肪產(chǎn)熱功能障礙[23]。冷暴露時，BAT 攝取酰基肉堿作為β氧化的重要底物，為產(chǎn)熱提供能量燃料。老年小鼠肝酰基肉堿合成減少，BAT 攝取并儲存的能量燃料不足，導致BAT 產(chǎn)熱減少[22,24]，而補充肉堿恢復其循環(huán)水平后，能夠有效改善年齡相關的產(chǎn)熱功能不良[24]。此外，線粒體脂酰化受損導致老年小鼠對BAT 中脂質利用不足，也可影響產(chǎn)熱功能。老年小鼠BAT 線粒體Fe-S 簇形成減少，線粒體酶的必需輔因子硫辛酸合成不足，導致線粒體脂?；浇档蚚25]。Bola3 作為鐵硫（Fe-S）簇形成的調節(jié)因子，在老年小鼠BAT 中表達降低，線粒體復合物Ⅰ/Ⅱ活性和耗氧率均降低[25]。補充低劑量的α-硫辛酸通過Bola3 介導的Fe-S 簇形成途徑，增強老年小鼠BAT 中的線粒體酶活性，特異性地恢復線粒體脂?；瑥亩糠只謴屠夏晷∈蟮腂AT 產(chǎn)熱[25]。

2.內分泌功能受損：BAT 除了進行非顫抖性產(chǎn)熱外，還能夠分泌成纖維細胞生長因子21、骨形成蛋白、白細胞介素6、12，13-diHOME 等多種分泌因子，以自分泌或旁分泌的方式對能量代謝造成局部或者系統(tǒng)性影響[26]。在冷暴露或者運動狀態(tài)下，BAT 能分泌12,13-diHOME 作用于自身或骨骼肌，從而促進循環(huán)脂肪酸的攝取[27]。相同運動水平下，老年人BAT 的12，13-diHOME 分泌減少[28]。然而，目前對大多數(shù)棕色脂肪細胞因子的功能以及衰老狀態(tài)下如何改變尚不清楚。

BAT 的質量和活性在衰老過程中逐漸喪失，機體基礎代謝率降低，導致胰島素抵抗、肥胖和2 型糖尿病等慢性代謝性疾病的發(fā)生。識別影響棕色脂肪細胞生成以及調節(jié)產(chǎn)熱的分子或代謝物，對了解BAT 在衰老狀態(tài)下的局部或全身調節(jié)的分子機制是必要的。

三、米色脂肪組織

米色脂肪組織衰老主要表現(xiàn)為米色脂肪細胞數(shù)量減少所介導的適應性產(chǎn)熱受損。米色脂肪細胞數(shù)量減少受到多種因素的調節(jié)，包括米色脂肪細胞所處的WAT 微環(huán)境、脂肪祖細胞衰老、白色脂肪細胞向米色脂肪細胞轉分化以及米色脂肪細胞的維持等。

米色脂肪組織散在分布于WAT中，受WAT 組織微環(huán)境的影響。WAT 中的第2 組先天淋巴細胞分泌甲硫氨酸腦啡肽，直接作用于脂肪細胞的阿片類生長因子受體，可正向調節(jié)米色脂肪的生物合成[29]。而這種第2 組先天淋巴細胞數(shù)量呈現(xiàn)年齡相關的減少，與年輕小鼠相比，老年小鼠在冷暴露條件下的米色脂肪細胞生成減少，核心體溫降低[19]。

脂肪祖細胞衰老也是米色脂肪細胞減少的重要原因之一。米色脂肪細胞起源于血管周圍的平滑肌樣祖細胞，表達平滑肌肌動蛋白（smooth muscle actin，SMA）。分離年輕小鼠和老年小鼠的米色脂肪祖細胞（SMA+），比較后發(fā)現(xiàn)，老年小鼠SMA+祖細胞呈現(xiàn)β 半乳糖苷酶活化等衰老表型，且向米色脂肪細胞分化受損[30]。有研究構建了SMA+米色脂肪祖細胞特異性敲除Ink4a/Arf 基因的小鼠模型（12 個月齡），結果發(fā)現(xiàn)，清除衰老祖細胞能夠逆轉老年小鼠冷暴露誘導的米色脂肪生成障礙[30]。此外，衰老過程中米色脂肪細胞向白色脂肪細胞轉分化也可造成米色脂肪細胞數(shù)量減少。賴氨酸特異性去甲基化酶1（lysine-specific demethylase 1,Lsd1）是一種表觀遺傳擦除酶，其可激活PPARα，維持脂肪細胞米色化[31]。30 周齡的中年小鼠皮下脂肪組織中Lsd1 表達下調，經(jīng)蘇木素-伊紅染色后可發(fā)現(xiàn)米色脂肪細胞白色化。脂肪特異性過表達Lsd1后，與同周齡對照小鼠相比，米色脂肪細胞形態(tài)和產(chǎn)熱相關基因的表達均得以維持；而對10 周齡小鼠脂肪組織特異性敲除Lsd1 基因后，米色脂肪細胞向白色脂肪細胞轉分化增加[31]。然而，目前對于米色脂肪細胞生成及維持機制的了解仍不足，衰老過程中米色脂肪細胞分化或轉分化如何調節(jié)還需要進一步研究。

針對脂肪組織衰老的干預

藥物治療、熱量限制和基因編輯可能是改善甚至逆轉脂肪組織衰老有前景的治療手段。

一、藥物治療

藥物治療是延緩脂肪組織衰老的主要干預方案。長期、低劑量應用過氧化物酶體增殖物激活受體γ 激動劑羅格列酮，可減少老年小鼠年齡依賴性的脂肪丟失，改善衰老WAT炎癥和纖維化，在維持脂肪組織穩(wěn)態(tài)和改善胰島素敏感性中發(fā)揮作用[32]。衰老細胞裂解法（即聯(lián)用達沙替尼和槲皮素選擇性地靶向清除衰老細胞）治療正在進行臨床試驗，結果顯示，接受為期11 d 治療的糖尿病腎病老年患者脂肪組織中高表達P16INK4A 和P21CIP1 的（P16High/P21High）衰老細胞數(shù)量和衰老相關分泌表型均減少[33]。然而值得注意的是，大多數(shù)p16High 細胞是肝血竇中的內皮細胞。動物實驗顯示，靶向清除p16High 細胞會誘導肝臟和血管周圍組織纖維化[34]，因此，在開發(fā)脂肪組織特異性清除衰老細胞的治療和干預藥物時，需明確藥物的不良反應。

二、熱量限制

熱量限制對于延緩脂肪組織衰老也有一定作用。動物實驗表明，熱量限制能夠緩解與年齡相關的皮下脂肪組織功能紊亂，并減輕組織炎癥，促進皮下脂肪組織褐變[35]。耶魯大學的一項多中心隨機對照試驗，對238 名非肥胖、代謝健康的成年人分組，進行為期2 年的自由飲食或14%熱量限制飲食，結果顯示，與自由飲食組相比，熱量限制組脂肪組織的線粒體生物合成、抗炎及長壽相關基因表達均得以改善。熱量限制降低了免疫細胞源性蛋白PLA2G7，而PLA2G7 靶向NLRP3 炎性小體，并可能通過調節(jié)免疫代謝介導脂肪組織炎癥改善和延長壽命[36]。

三、基因編輯

基因編輯能夠不同程度地緩解脂肪組織功能障礙。近年來，高速發(fā)展的成簇規(guī)律間隔的短回文重復序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR）基因編輯技術逐漸應用于肥胖領域，可能是肥胖癥和糖尿病等代謝性疾病的有效治療手段。哈佛醫(yī)學院的一項研究使用CRISPR-dCas9 技術增強人白色脂肪祖細胞中解偶聯(lián)蛋白1的表達，誘導脂肪祖細胞分化為具有產(chǎn)熱功能的類人米色脂肪細胞，并將其移植到高脂飲食喂養(yǎng)的肥胖小鼠中，結果顯示，相比移植白色脂肪細胞的小鼠，移植經(jīng)改造的人米色脂肪細胞的小鼠體重減輕，白色脂肪組織的比例顯著降低，胰島素敏感性得以改善[37]。此外，與普通小鼠相比，Toll 樣受體4 基因敲除（TLR4-）小鼠的內質網(wǎng)應激減少，年齡相關的脂肪組織炎癥減緩。TLR4-老齡小鼠P16、P21 等衰老標志基因表達降低，葡萄糖耐量明顯改善[38]。然而，基因編輯技術尚未應用于人類肥胖癥等的治療。深入研究脂肪組織衰老的具體分子機制，尋找關鍵的基因靶點是基因治療的重要前提。

結語和展望

脂肪組織衰老是衰老的早期信號和促發(fā)因素[11-12]。3 種不同類型的脂肪組織分別發(fā)揮能量儲存、消耗以及細胞因子分泌等不同的功能，參與維持能量穩(wěn)態(tài)。脂肪組織衰老過程中各細胞組分的質量或相對數(shù)量發(fā)生改變，導致脂肪組織功能失調和代謝靈活性降低，表現(xiàn)為白色脂肪組織脂質儲存和分解減弱，產(chǎn)熱脂肪組織產(chǎn)熱受損及分泌功能紊亂，伴隨著組織炎癥、脂毒性和胰島素抵抗，促進2 型糖尿病、動脈粥樣硬化、脂肪肝及其他年齡相關代謝性疾病的發(fā)生[10]。通過藥物治療、熱量限制以及基因編輯等治療方式可延緩或逆轉脂肪組織衰老，有助于維持機體代謝穩(wěn)態(tài)并延長健康壽命。目前脂肪組織衰老的干預主要處于動物實驗階段，靶向清除衰老細胞的 “衰老細胞裂解法” 已經(jīng)進入臨床試驗。未來應當繼續(xù)深入探究不同類型脂肪組織功能異常的分子機制，開發(fā)延緩脂肪組織衰老的新靶點，爭取早日開展具備安全性及倫理正當性的臨床試驗。