小鼠皮下黑色脂肪形成機(jī)制的研究進(jìn)展

小鼠皮下黑色脂肪形成機(jī)制的研究進(jìn)展

隨著人類物質(zhì)水平的提高，2型糖尿病、肥胖病、脂肪性肝病、高血壓、脂肪性紊亂和動(dòng)脈硬化等代謝性疾病威脅著人類的健康。因此,脂肪組織作為人體重要的能量貯存器官,成為了新近的研究熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn),在嚙齒動(dòng)物的皮下白色脂肪組織中存在一種特殊類型的脂肪細(xì)胞,稱之為“米色脂肪”。當(dāng)機(jī)體交感神經(jīng)興奮時(shí),如在寒冷的刺激下或運(yùn)動(dòng)后,這種原本具有白色脂肪細(xì)胞特征的脂肪細(xì)胞便被“棕色化”,被賦予典型棕色脂肪細(xì)胞的功能,即高表達(dá)線粒體解偶聯(lián)蛋白1(uncouplingprotein1,UCP1)基因,增加能量消耗［１－２］。而人類大部分棕色脂肪細(xì)胞中也大量表達(dá)米色脂肪的標(biāo)志基因,因此人體中的棕色脂肪與這種米色脂肪在分子生物學(xué)方面十分類似［３］。本文就米色脂肪研究的相關(guān)進(jìn)展作一綜述。1脂肪組織:“一個(gè)重要的”脂肪組織是人體重要的能量貯存器官,除了參與機(jī)體構(gòu)建、維持體形以外,它還是一個(gè)重要的內(nèi)分泌器官,可分泌脂聯(lián)素、瘦素、腫瘤壞死因子(tumornecrosisfactor,TNF)等多種細(xì)胞因子,它還主動(dòng)參與機(jī)體多種代謝和病理生理過程,如骨骼發(fā)育、炎癥、生殖等［４］。適量的脂肪組織為人體所必需,但過多或過少的脂肪組織都會(huì)引起代謝性疾病。脂肪組織主要由大量群集的脂肪細(xì)胞構(gòu)成,被薄層疏松結(jié)締組織分隔成小葉。根據(jù)脂肪細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能不同,脂肪組織分為以下兩類:(1)黃(白)色脂肪組織:呈黃色(在某些哺乳動(dòng)物呈白色),即通常的脂肪組織。它由大量單泡脂肪細(xì)胞集聚而成,主要分布在皮下組織、網(wǎng)膜和腸系膜等處,是體內(nèi)最大的“能源庫”,具有貯存脂肪、保持體溫和參與脂肪代謝的功能。(2)棕色脂肪組織:呈棕色,其特點(diǎn)是組織中有豐富的毛細(xì)血管,脂肪細(xì)胞內(nèi)散在許多小脂滴,線粒體大而豐富,這種脂肪細(xì)胞又稱為多泡脂肪細(xì)胞。棕色脂肪在成人中極少,在新生兒及冬眠動(dòng)物中較多,主要分布在新生兒的肩胛間區(qū)、腋窩及頸后部。典型的棕色脂肪細(xì)胞含有大量線粒體UPC1,在寒冷的刺激下,其脂肪細(xì)胞內(nèi)的脂類分解、氧化,產(chǎn)生大量熱能。因此,棕色脂肪組織在抵抗低溫及糖尿病、肥胖癥等代謝性疾病方面有重要意義。通過正電子發(fā)射斷層掃描(positronemissiontomography,PET)和核磁共振成像(magneticresonanceima-ging,MRI)發(fā)現(xiàn),在成年人體中有一些UCP1陽性的棕色脂肪細(xì)胞,主要分布于鎖骨上區(qū)、頸部、后縱隔、腹膜后間隙及腸系膜等［５－７］。脂肪組織是由胚胎時(shí)期的間充質(zhì)演化而來,間充質(zhì)細(xì)胞分化程度低,增殖分化能力強(qiáng),在胚胎時(shí)期能分化成脂肪細(xì)胞、肌細(xì)胞、血細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等。脂肪細(xì)胞屬中胚層來源細(xì)胞,一般從多能干細(xì)胞、前脂肪細(xì)胞、不成熟脂肪細(xì)胞最終分化為成熟脂肪細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn),與白色脂肪細(xì)胞不同,棕色脂肪細(xì)胞與肌細(xì)胞來源于一種表達(dá)Myf5的前體細(xì)胞［１０］。如將小鼠棕色脂肪前體細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子PRDM16基因敲除,這種原本分化為棕色脂肪細(xì)胞的前體細(xì)胞就會(huì)朝著肌細(xì)胞的方向分化。因此,轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子PRDM16決定了Myf5前體細(xì)胞的分化方向［１］。2體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.1米色脂肪的發(fā)現(xiàn)1992年,Cousin等［２］發(fā)現(xiàn)如果將嚙齒類動(dòng)物長期暴露在寒冷環(huán)境中,或者長期使用β腎上腺素,可在它們的皮下白色脂肪組織中發(fā)現(xiàn)棕色脂肪樣細(xì)胞,這些脂肪細(xì)胞與典型的棕色脂肪細(xì)胞一樣,胞內(nèi)散在許多小脂滴,表達(dá)高水平的UCP1。但是如果沒有外界刺激,在原來的皮下白色脂肪組織中沒有找到UCP1陽性的棕色脂肪樣細(xì)胞,而且這些棕色脂肪樣細(xì)胞的分化發(fā)育來源與典型的棕色脂肪細(xì)胞不同,它并不是由表達(dá)Myf-5的前體細(xì)胞分化而來。因此,Seale等［１］認(rèn)為存在一種特殊類型的脂肪細(xì)胞。正常情況下,這種脂肪細(xì)胞與白色脂肪細(xì)胞類似,含有大量單泡脂肪細(xì)胞,胞內(nèi)UCP1水平很低,其主要作用是儲(chǔ)存能量。當(dāng)機(jī)體長期處于寒冷環(huán)境中,或長期使用β腎上腺素時(shí),這種脂肪細(xì)胞的形態(tài)學(xué)及生物學(xué)特征發(fā)生改變,其胞內(nèi)出現(xiàn)許多散在的小脂滴,UCP1水平升高,產(chǎn)生大量熱能,這些特征類似于典型的棕色脂肪細(xì)胞。他們將這種特殊類型的脂肪細(xì)胞稱之為“米色脂肪”［１］。2.2米色脂肪的分布許多實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明,在嚙齒類動(dòng)物中,其皮下白色脂肪細(xì)胞與內(nèi)臟白色脂肪細(xì)胞相比更傾向于表達(dá)UCP1基因［２，８－９］。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù),Bostrue56em等［１０］建立了肌細(xì)胞中高表達(dá)過氧化物酶體增殖物激活受體γ共刺激因子1-α(peroxisomeproliferator-activatedrecep-tor-γcoactivator1-α,PGC1-α)的轉(zhuǎn)基因小鼠模型,并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)基因小鼠的皮下白色脂肪組織中,有些部分(如腹股溝部位)UCP1表達(dá)水平較對照組升高,而且還出現(xiàn)UPC1陽性的多泡脂肪細(xì)胞。但是在典型的棕色脂肪組織(如肩胛間區(qū))和內(nèi)臟白色脂肪組織(如附睪)中沒有發(fā)生明顯變化。因此,可以認(rèn)為在小鼠中米色脂肪主要分布于皮下白色脂肪組織。2.3米色脂肪產(chǎn)熱作用的分子學(xué)機(jī)制當(dāng)機(jī)體交感神經(jīng)系統(tǒng)活性增強(qiáng)如運(yùn)動(dòng)或寒冷刺激時(shí),棕色脂肪細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞表現(xiàn)出相似的作用,即產(chǎn)生大量熱能［１］。這些產(chǎn)熱作用是否與米色脂肪有關(guān)?研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)性產(chǎn)熱作用與肌細(xì)胞內(nèi)的PGC1-α有關(guān)。PGC1-α屬于PGC1家族,它能夠刺激線粒體的生物合成以及氧化代謝。很多實(shí)驗(yàn)已證明,肌細(xì)胞中高表達(dá)PGC1-α的轉(zhuǎn)基因小鼠不易患年齡相關(guān)性肥胖癥和糖尿?。郏保保?進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)此類轉(zhuǎn)基因小鼠在運(yùn)動(dòng)后,其皮下米色脂肪細(xì)胞內(nèi)UCP1基因表達(dá)水平升高［１０］。因此,PGC1-α對肥胖癥和糖尿病的作用可能與米色脂肪有關(guān)。PGC1-α能激活肌細(xì)胞含Ⅲ型纖連蛋白域蛋白5(fibronectintypeⅢdomaincontaining5,FNDC5)基因的表達(dá)。FNDC5是一種Ⅰ型膜鑲嵌型蛋白,它由1個(gè)信號(hào)肽、2個(gè)纖連蛋白結(jié)構(gòu)域和1個(gè)疏水結(jié)構(gòu)域組成［１２－１３］。另外體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),經(jīng)過FNDC5處理的小鼠皮下米色脂肪細(xì)胞內(nèi)UCP1基因及棕色脂肪細(xì)胞標(biāo)志性基因Elovl3、Cox7a1、Otop1表達(dá)水平較對照組增高,而且實(shí)驗(yàn)組胞內(nèi)線粒體密度及耗氧量也增高,但是FNDC5對典型的棕色脂肪細(xì)胞沒有明顯作用［１０］。綜上所述,米色脂肪的作用機(jī)制與PGC1-α和FNDC5有密切聯(lián)系。那么肌細(xì)胞的FNDC5是如何作用于遠(yuǎn)處的皮下米色脂肪細(xì)胞呢?進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),FNDC5是一種分泌性蛋白,經(jīng)過溶蛋白性裂解、糖基化等一系列加工修飾后,分泌出一種未知的多肽,Bostrom等［１０］將這種未知的多肽命名為“irisin(鳶尾素)”。他們發(fā)現(xiàn)人類和嚙齒動(dòng)物的血漿中都存在irisin,在運(yùn)動(dòng)后irisin的血漿濃度升高,而且肌細(xì)胞內(nèi)相應(yīng)的mR-NA水平也升高。將表達(dá)irisin的腺病毒載體注射入小鼠靜脈中,可檢測到小鼠血漿中irisin濃度較對照組升高,而這種高濃度的irisin對小鼠的主要臟器并沒有明顯的副作用。注射后10d,實(shí)驗(yàn)組小鼠米色脂肪內(nèi)UCP1mRNA水平較對照組升高,并出現(xiàn)多泡脂肪細(xì)胞,而典型棕色脂肪未出現(xiàn)明顯變化。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明,血漿irisin濃度升高能增加能量消耗,有助于減輕體質(zhì)量,改善胰島素抵抗。肌生成抑制蛋白(myostatin,Mstn)是轉(zhuǎn)化生長因子β(transforminggrowthfactorβ,TGFβ)超家族的成員之一,它主要由骨骼肌分泌并具有抑制肌肉分化發(fā)育的作用［１４］。研究發(fā)現(xiàn),Mstn基因敲除小鼠肌肉質(zhì)量明顯增加,脂肪組織明顯減少,胰島素敏感性明顯改善［１５－１７］。Shan等［１８］最近研究發(fā)現(xiàn),在該基因敲除小鼠的皮下米色脂肪中UCP1基因表達(dá)水平增高,骨骼肌中PGC1-α、FNDC5mRNA及蛋白表達(dá)水平都增高,irisin分泌增加,這一作用是通過激活骨骼肌細(xì)胞中單磷酸腺苷依賴的蛋白激酶[a-denosine5’-monophosphate(AMP)-activatedproteinkinase,AMPK]-PGC1-α-FNDC5通路實(shí)現(xiàn)的。因此,Mstn在米色脂肪的產(chǎn)熱作用中具有一定的作用。綜上所述,運(yùn)動(dòng)后肌細(xì)胞內(nèi)PGC1-α合成增加,PGC1-α刺激胞內(nèi)FNDC5基因表達(dá)。FNDC5是一種分泌性的膜蛋白,經(jīng)過一系列加工修飾后,分泌irisin。Irisin分泌入血后隨血液循環(huán)作用于皮下的米色脂肪,使米色脂肪細(xì)胞的形態(tài)學(xué)及生物學(xué)特征發(fā)生改變,其胞內(nèi)出現(xiàn)許多散在的小脂滴,UCP1水平升高,氧耗量增加,產(chǎn)生大量熱能,即米色脂肪的功能從儲(chǔ)存能量轉(zhuǎn)變?yōu)橄哪芰俊Ｃ咨具@種作用與其細(xì)胞表面的irisin相關(guān)受體有關(guān),irisin受體的特征還有待進(jìn)一步研究,目前尚不能排除機(jī)體其他組織或器官對irisin分泌及作用有影響［１０］。2.4米色脂肪的特點(diǎn)米色脂肪與典型的棕色脂肪細(xì)胞不同,它并不是由表達(dá)Myf5的前體細(xì)胞分化而來,但米色脂肪與白色脂肪的分化發(fā)育是否有聯(lián)系還需進(jìn)一步研究?；?qū)W分析已經(jīng)發(fā)現(xiàn),米色脂肪的標(biāo)志性基因與白色脂肪和棕色脂肪不同。在人類和小鼠中發(fā)現(xiàn)了5種米色脂肪標(biāo)志性基因:Tbx1、Slc27a1、CD40、CD137及CITED1。Tbx1是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,Slc27a1參與脂質(zhì)代謝,CD40及CD137是免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)的重要因子,CITED1是最近才被發(fā)現(xiàn)的米色脂肪標(biāo)志性基因,之前它被認(rèn)為是雌激素受體的轉(zhuǎn)錄共刺激因子［３，７，１９］。這些標(biāo)志性基因的發(fā)現(xiàn)有助于進(jìn)一步開展人體中米色脂肪的相關(guān)研究。實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)未受到外界刺激時(shí),小鼠米色脂肪細(xì)胞和白色脂肪細(xì)胞內(nèi)的UCP1基因及棕色脂肪細(xì)胞標(biāo)志性基因Elovl3、Cox7a1、Otop1表達(dá)水平無明顯差別［３］。為模擬小鼠交感神經(jīng)系統(tǒng)對脂肪組織的作用,給予這些小鼠選擇性β３腎上腺素激動(dòng)劑處理。結(jié)果顯示米色脂肪細(xì)胞內(nèi)UCP1基因及棕色脂肪細(xì)胞標(biāo)志性基因的表達(dá)水平升高程度大于白色脂肪細(xì)胞［３］。線粒體氧化磷酸化是機(jī)體適應(yīng)性產(chǎn)熱的中心環(huán)節(jié)。當(dāng)未受到外界刺激時(shí),小鼠典型棕色脂肪細(xì)胞線粒體氧化磷酸化效率高于米色脂肪。cAMP-PKA途徑是機(jī)體生熱作用的重要通路之一,如給予cAMP處理,小鼠米色脂肪細(xì)胞線粒體氧化磷酸化效率升高了約2倍,其效率與相同條件刺激下的典型棕色脂肪相近甚至超過棕色脂肪,而白色脂肪細(xì)胞線粒體氧化磷酸化效率明顯低于這兩種細(xì)胞［３］。綜上所述,從發(fā)育來源、分子生物學(xué)、形態(tài)學(xué)及功能等方面來看,米色脂肪是一種不同于白色脂肪和棕色脂肪的特殊類型的脂肪。它具有白色脂肪和棕色脂肪的功能,并能在兩者之間轉(zhuǎn)換。當(dāng)未受到外界刺激時(shí),米色脂肪與白色脂肪細(xì)胞類似,為單泡脂肪細(xì)胞,胞內(nèi)UCP1水平很低,其主要作用是儲(chǔ)存能量。當(dāng)機(jī)體交感神經(jīng)興奮時(shí),如在寒冷的刺激下或運(yùn)動(dòng)后,米色脂肪細(xì)胞的形態(tài)學(xué)及生物學(xué)特征發(fā)生改變,胞內(nèi)出現(xiàn)許多散在的小脂滴,UCP1水平及氧化磷酸化效率升高,而且其呼吸容量比典型棕色脂肪高,其主要作用是參與適應(yīng)性產(chǎn)熱。2.5人類米色脂肪的研究進(jìn)展目前在人類皮下白色脂肪組織中并沒有發(fā)現(xiàn)與小鼠米色脂肪相同的脂肪細(xì)胞。但是最新研究證明,在人類大部分棕色脂肪細(xì)胞中幾乎不表達(dá)典型棕色脂肪細(xì)胞標(biāo)志基因,卻大量表達(dá)米色脂肪標(biāo)志基因［３］。因此,至少從分子生物學(xué)角度,成年人體中的棕色脂肪與這種米色脂肪十分類似。這就不難解釋當(dāng)處于溫暖環(huán)境中,在成年人的鎖骨上區(qū)、頸部等部位只能找到少量UCP1陽性的棕色脂肪細(xì)胞,而當(dāng)處于寒冷環(huán)境時(shí)這種棕色脂肪細(xì)胞數(shù)量明顯增多［２０］。這種脂肪細(xì)胞在人類長期進(jìn)化過程中被保留下來,有助于人類在不同的環(huán)境溫度下靈活調(diào)節(jié)自身產(chǎn)熱,有效抵御寒冷。3其他代謝性疾病的應(yīng)用研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn),高表達(dá)PGC1-α和FNDC5的轉(zhuǎn)基因小鼠能量消耗增加,體質(zhì)量有所減輕,胰島素抵抗現(xiàn)象明顯改善,在高irisin血漿濃度的小鼠中產(chǎn)生同樣的結(jié)果［１０］。因此,米色脂肪在治療肥胖、糖尿病等代謝性疾病方面有良好的應(yīng)用前景。由于β腎上腺素對人體其他組織器官有明顯的副作用,而且缺乏一種特