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(中南大學藥學院藥理學系，湖南 長沙 410008)

·文獻綜述·

脂肪組織生物學研究進展

李晴晴,楊芝春*

(中南大學藥學院藥理學系，湖南 長沙 410008)

脂肪組織包括白色脂肪，棕色脂肪及米色脂肪。白色脂肪以儲能為主，過量積聚可誘發(fā)肥胖；棕色/米色脂肪屬于產熱脂肪，具有潛在的抗肥胖作用。三種脂肪細胞在組織分布、能量代謝及細胞因子分泌等方面有所差異，因此，聚焦三種脂肪細胞的生物學特性及分化調控機制的差異，有助于深入了解肥胖發(fā)生的機理。

白色、棕色、米色脂肪； 能量代謝； 細胞因子； 肥胖

哺乳動物體內存在的脂肪組織可分為儲能為主的白色脂肪組織和以產熱耗能為主的經典棕色脂肪組織以及米色脂肪組織。經典棕色脂肪主要分布在肩胛、鎖骨下，而米色脂肪主要存在于皮下、內臟等白色脂肪庫。研究揭示，白色、棕色、米色脂肪在細胞起源及生物學特性方面都存在較大的差異，而揭示這種差異對于以脂肪細胞為靶標研究肥胖及其相關疾病的發(fā)病機制及防治策略具有重要意義。因此，本文就白色、棕色、米色脂肪在生物學特點及與疾病關聯(lián)等方面的差異研究綜述如下。

1 分布與細胞起源

作為機體最大的儲能庫，白色脂肪主要由皮下脂肪(subcutaneous fat)和內臟脂肪(visceral fat)組成，約占體重的10%[1]。皮下脂肪主要分布于大腿、臀部、胯骨處，在腹部及皮下亦有分布，其中腹股溝部位的脂肪組織屬于典型的皮下脂肪組織[2]。當機體能量攝入過多，而皮下脂肪儲能飽和時，脂肪組織開始堆積于內臟周圍，包括腎周、腸系膜、性腺、腹膜后、網膜脂肪及心外膜脂肪組織。研究發(fā)現，白色脂肪的分布受性別和年齡的影響：一般來說：男性脂肪多分布于腹部，而女性臀部多堆積白色脂肪[3]。男性內臟脂肪會因BMI和年齡的的增加而增加，而女性則較少出現這種現象，這可能與女性體內的雌激素有關。雌激素可促進皮下脂肪的堆積，絕經后女性雌激素治療有利于減輕中心性肥胖[4]。

白色脂肪細胞通常被認為起源于側板中胚層，在不同的轉錄調控因子作用下分化為祖細胞或前體細胞。最新的研究發(fā)現，皮下與內臟脂肪的起源存在差異：Sanchez等認為小鼠內臟脂肪組織中大部分脂肪細胞起源于胚胎期表達WT1(Wilms’tumor 1)的側中胚層間皮細胞，而皮下脂肪組織則未檢測到WT1陽性細胞[5]。示蹤譜分析顯示皮下脂肪細胞由胚胎早期具有間充質特性的Pref-1(Preadipocyte factor 1)陽性細胞分化而來。通過綠色熒光蛋白標記Sox10(SRY-box 10，神經嵴的一種標記分子)追蹤進一步發(fā)現小鼠頭部從唾液腺到耳區(qū)的脂肪細胞起源于神經嵴[6]。

利用正電子發(fā)射體層成像和計算機體層成像技術(PET/CT)，可檢測到無論是小型哺乳動物和嬰兒，還是成人體內都存在18F-FDG高攝取率的產熱脂肪，廣泛分布于肩胛間、肩胛下、頸部和子宮頸、主動脈和腎臟等部位[7]。近年來的研究發(fā)現，產熱脂肪可分為經典的棕色脂肪和非經典的米色脂肪。經典棕色脂肪與骨骼肌細胞起源于相同的軸旁中胚層細胞，特異性表達生肌調節(jié)因子5(Myf5，Myogenic factor 5)[8]。棕色脂肪分化成熟后高表達線粒體解偶聯(lián)蛋白UCP1(uncoupling protein 1)，通過誘導線粒體解偶聯(lián)呼吸發(fā)揮產熱耗能的作用，主要分布于鋸齒動物的肩胛及腎周部位[9]。米色脂肪由Myf5陰性祖細胞分化而來[10]，廣泛分布于骨骼肌、皮下和腹膜后白色脂肪組織中[11]。正常情況下UCP1的表達介于白色與經典棕色脂肪之間，但在cAMP(Cyclic Adenosine monophosphate)、鳶尾素(Irisin)、β3腎上腺素受體激動劑等誘導因子存在的條件下，UCP1的表達可升高至經典棕色脂肪水平。目前認為，嬰兒體內以經典棕色脂肪為主[12]；而對于成人和小鼠，米色脂肪是主要的產熱脂肪，主要存在于白色脂肪庫，但也存在于一些經典的棕色脂肪分布區(qū)。基因表達譜分析顯示，成年人的鎖骨上區(qū)域棕色脂肪更類似于米色脂肪[13]，而頸部的產熱脂肪，分布呈現梯度性：即深部組織為經典的棕色脂肪，中間層為米色脂肪，最表面層則是白色脂肪[14]。

2 生物學特性

2.1形態(tài)學白色脂肪組織呈淺白色至淡黃色，由成熟脂肪細胞、非脂肪細胞、結締組織基質、血管及神經細胞組成。白色脂肪細胞大而飽滿，從組織學切片上觀察到細胞形態(tài)呈圓形或多邊形，胞漿中存有大型脂滴，細胞核和細胞器則被壓迫到細胞的邊緣。

棕色脂肪細胞在外觀上相對統(tǒng)一，由整齊的多邊形脂肪細胞組成，細胞尺寸遠小于白色脂肪細胞，呈多房室結構，散布有小脂肪滴，因胞漿含有大量線粒體而呈淺棕色至深紅色；受交感神經支配，血管及血流量豐富[15]。散落于白色脂肪庫中的米色脂肪形態(tài)則介于白色脂肪細胞與棕色脂肪細胞，兼有單房室及多房室結構和大量脂滴。

2.2能量代謝白色脂肪是主要的儲能器官，可將血中的葡萄糖及自由脂肪酸重新合成為甘油三脂儲存起來，在調節(jié)血糖水平及胰島素敏感性方面具有重要意義。研究發(fā)現，與皮下白色脂肪細胞比較，內臟脂肪對胰島素敏感性較低[16]，內臟脂肪分化與功能異常是影響胰島素抵抗的重要因素。臨床病例分析顯示：內臟脂肪型肥胖患者葡萄糖氧化代謝和脂質氧化能力顯著低于外周型肥胖患者[17]。

棕色脂肪增加機體能量消耗，可清除循環(huán)血中的葡萄糖和甘油三脂(TG，Triglyceride)[18]。研究報道，冷暴露(4度)24 h后，小鼠體內棕色脂肪組織被激活，體重減輕，血漿中甘油三脂水平顯著下降，部分恢復機體對胰島素的敏感性[19]，因此棕色脂肪被認為是葡萄糖、甘油三脂的“代謝庫”。在鼠科動物中，β3腎上腺素受體激動劑與棕色脂肪細胞膜表面的腎上腺素受體結合后，可激活腺苷酸環(huán)化酶系統(tǒng)，使細胞內cAMP水平升高，進而激活cAMP依賴的PKA(protein kinase A system)，促進脂滴中TG分解為甘油和脂肪酸。同時，激活的PKA還可以磷酸化PGC-1α(peroxisome proliferater activated receptor gamma coactivator-1 α)以增加其活性，進而誘導UCP1高表達，使三磷酸腺苷(ATP)合成減少并產生熱能[20]。盡管米色脂肪基礎UCP1的表達水平較低，但在誘導條件下，UCP1水平迅速升高，發(fā)揮與經典棕色脂肪相似的產熱耗能效應，并且研究顯示，低溫環(huán)境下成人和小鼠體內主要依賴激活皮下米色脂肪而非經典棕色脂肪誘導產熱程序[21]。

2.3基因表達譜

2.3.1 白色脂肪分泌因子 脂肪組織除參與機體能量代謝外，也是機體重要的內分泌器官。研究發(fā)現，白色脂肪可以分泌大量的脂肪細胞因子包括瘦素、脂聯(lián)素、抵抗素、炎癥介質TNF-α(tumor necrosis factor α)等，參與多種生理功能的調控：脂聯(lián)素(adiponectin)可激動過氧化物酶增殖體激活受體(PPAR，peroxisome proliferator activated receptor)參與脂肪細胞的分化，增強機體對胰島素的敏感性及糖代謝；脂聯(lián)素還具有抑制血管新生、抗炎、抗凋亡的作用，是一種重要的與代謝相關的保護因子。瘦素(Leptin)主要由白色脂肪組織產生，通過激活細胞內磷脂酰肌醇激酶，氧化脂肪酸，使機體對葡萄糖的攝取利用增加；瘦素在刺激機體能量消耗的同時，對食欲亦有一定的抑制作用[22]。抵抗素(resistin)因其可誘導胰島素抵抗而被命名；給正常小鼠注射重組抵抗素可以導致糖耐量受損和胰島素抵抗[23]。趨化素(Chemerin)是一種由內臟脂肪組織特異分泌，與代謝綜合征密切相關的新型脂肪因子，可誘導靶細胞胰島素樣受體1(IRS-1)的酪氨酸磷酸化水平升高，提高胰島素敏感性[24]。內臟脂肪素(visfatin)是一種具有類胰島素效應的脂肪因子，可以增加脂肪細胞葡萄糖轉運和肝糖原的合成，對血糖和胰島素敏感性有一定的改善作用[25]。網膜素(omentin)由脂肪組織中的基質血管細胞分泌，可通過激活AMPK/eNOS信號，抑制內臟脂肪組織炎癥因子分泌[26]。纖溶酶原激活抑制物-1(plasminogen activator inhibitor-1，PAI-1)也可由內臟脂肪組織分泌。研究證實，與皮下脂肪相比，肥胖患者大網膜處脂肪組織PAI-1升高，并且血漿中PAI-1水平也顯著高于健康人，由此知PAI-1在腹型肥胖導致心血管疾病的發(fā)病中可能發(fā)揮重要作用[27]。不同部位脂肪組織基因表達譜檢測發(fā)現，Tcf21(Transcription Factor 21)及Hoxc8(Homeobox C8)特異性高表達于白色脂肪組。Tcf21，被定義為抑制肌細胞生成和核受體活性的轉錄因子，內臟脂肪表達高于皮下脂肪[28]。Hoxc8是同源框結構域轉錄因子，參與中胚層來源的間充質干細胞的分化[29]。

2.3.2 棕色脂肪標志基因 相對而言，棕色/米色脂肪主要執(zhí)行產熱耗能作用，其內分泌功能不及白色脂肪。然而，在棕色/米色脂肪組織中亦存在一些特異高表達的基因，有些可作為鑒定細胞表型的分子標記，有些則參與棕色/米色脂肪分化調控。研究發(fā)現，經典棕色脂肪中除了高表達UCP1外，還可特異性表達Cidea、Cox7α、Dio2和Elovl3等棕色脂肪功能基因[30]。解偶聯(lián)蛋白1(UCP1)是實現棕色/米色脂肪耗能和產熱的關鍵基因，是成熟棕色脂肪細胞的特異性標志，也是米色脂肪被激活的主要表現。Cidea(cell death-inducing DFFA-like effector a，細胞死亡誘導DNA碎片因子a)，屬于CIDE家族蛋白，調控棕色脂肪組織脂質代謝及脂肪酸氧化。Cox7α(Cytochrome C oxidase 7α，細胞色素C氧化酶7α)，是電子傳遞鏈末端酶，在棕色脂肪產熱過程中發(fā)揮作用。Dio2 (Type II Iodothyronine Deiodinas) 是Ⅱ型脫碘酶，能將細胞外T4轉為為T3供給棕色脂肪分化[31]。Elovl3 (Elongation of very long chain fatty acids protein 3) 編碼長鏈飽和與不飽和脂肪酸調節(jié)蛋白，在棕色脂肪分化早期，招募調控子內源性合成長鏈飽和脂肪酸調節(jié)棕色脂肪的生成[32]。

2.3.3 米色脂肪分子標記物 米色脂肪細胞含有不同于白色脂肪細胞和棕色脂肪細胞的標志性基因，包括Tbx1，Slc27-a1，TMEM26，CD40，CD137和CITED1等[33-34]。TMEM26 (transmembrane protein 26) 是最早被確認為米色脂肪細胞標記的跨膜蛋白。Tbx1 (T-box l) 是一種T框蛋白轉錄調控因子，Slc27-a1 (solute carrier family 27 member 1) 是調控米色脂肪脂質代謝的標記分子。CD40，CD137參與細胞免疫反應和炎癥反應，而CITED1 (Cbp/p300 interacting transactivator with Glu/Asp rich carboxy-terminal domain 1) 則是最近才被發(fā)現的新米色脂肪標志蛋白，但其功能還不十分清楚[35]。最新研究還發(fā)現，鉀離子通道K3 (KCNK3，potassium two pore domain channel subfamily K member 3) 和線粒體腫瘤抑制因子1 (MTUS1，Mitochondrial tumor suppressor 1) 可能是人體內米色脂肪新的分子標記，在米色脂肪分化和產熱功能的維持中發(fā)揮重要作用[36]。

2.3.4 白色、棕色、米色脂肪細胞分化調控 有些基因可同時表達于白色和棕色/米色脂肪中，對于脂肪細胞的形成及功能具有重要意義。PPAR是過氧化物酶體增殖劑激活受體，包含α、β(δ)、γ這三種亞型。大量研究證實，PPARγ可調控白色脂肪與棕色/米色脂肪分化，一方面，PPARγ可通過脂肪酸結合蛋白aP2，瘦素(Leptin)，脂聯(lián)素(adiponectin)，葡萄糖轉運體蛋白(Glut4)等參與白色脂肪細胞的分化調控，另一方面，PPARγ可促使PRDM16 (PR domain containing 16) 與PGC-1α形成轉錄復合物，誘導UCP1及棕色/米色化特征基因的表達[37]。PPARα 則主要調控成熟脂肪細胞UCP1基因的表達，被認為是棕色脂肪特異的標志基因。激動PPARα后，UCP1基因與PGC1α表達水平顯著上調[38]。有研究報道：PPARβ(δ) 可能也參與了UCP1基因的表達調控[39]。PGC-1α是PPARγ 共激活物，可作為輔因子與PPARγ 形成復合物，作用于UCP1的啟動子區(qū)域，誘導線粒體生成及UCP1表達[40]。PR結構域蛋白16(PRDM16)是棕色/米色脂肪細胞分化過程中最重要的轉錄調控因子，控制著各種前體細胞向棕色/米色脂肪分化的方向：在棕色脂肪前體，PRDM16可與PGC-1α、PGC-1β 結合并提高其轉錄活性，促進棕色脂肪細胞分化相關基因的表達[41]；在C2C12成肌細胞前體，PRDM16過表達可誘導成肌細胞向棕色脂肪轉化[42]；在白色脂肪前體細胞，PRDM16不僅可與CtBP1 (C-terminal Binding Protein 1)、 CtBP2 (C-terminal Binding Protein 2) 形成復合物抑制白色脂肪分化基因表達，還可上調產熱基因UCP1表達，誘導白色脂肪前體米色化[43]。

研究發(fā)現，寒冷、腎上腺素受體激動劑等刺激不僅可上調棕色/米色脂肪中UCP1、PRDM16的表達，多種參與棕色/米色脂肪分化調控的基因如神經調節(jié)蛋白4(Nrg4，Neuregulin 4)、成纖維細胞生長因子21 (FGF21，Fibroblast growth factor 21)、血管內皮生長因子(VEGF，vascular endothelial growth factor)等表達水平顯著升高。神經調節(jié)蛋白4(Nrg4)屬于表皮生長因子(EGF，Epidermal Growth Factor) 家族，可被誘導表達于棕色/米色脂肪中，通過結合并活化酪氨酸激酶 (ErbB3/ErbB4，erb-b2 receptor tyrosine kinase) 受體，誘導脂質分解[44]。成纖維細胞生長因子21(FGF21)可作用于酪氨酸激酶FGF受體參與代謝調控；寒冷或β3腎上腺素受體激動劑可升高棕色脂肪及皮下脂肪中FGF21水平，不僅增加脂肪酸酵解和葡萄糖異生，還可協(xié)同鳶尾素上調UCP1、PGC-1α 表達，促進白色脂肪米色化過程[45]；此外，FGF21還可作用于中樞神經系統(tǒng)調控脂肪組織交感神經活性間接促進米色脂肪產熱[46]。血管內皮生長因子(VEGF)包含VEGFA 和VEGFB，VEGFA可通過誘導血管生成及棕色脂肪產熱抑制高脂誘導的肥胖和代謝紊亂[47]；而VEGFB則可促進內皮細胞增殖和脂肪酸攝取48]。

3 與肥胖及相關疾病的關聯(lián)

白色脂肪過度堆積是肥胖及相關代謝性疾病發(fā)生的重要病理機制。研究發(fā)現，代謝指標正常的肥胖者，脂肪多堆積于外周皮下部位，胰島素敏感性、脂肪組織功能基本正常；而當皮下脂肪儲能飽和，脂肪異位存積于內臟等處，可出現脂肪組織缺氧、血運不足，同時伴有炎癥、纖維化、胰島素抵抗與代謝異常，最終誘發(fā)糖尿病和心血管疾病[49]。臨床研究證實，內臟脂肪大量堆積易誘發(fā)高三酰甘油血癥、高膽固醇血癥和低高密度脂蛋白膽固醇血癥等脂質代謝紊亂，加之容易導致凝血纖溶系統(tǒng)功能失衡，可誘發(fā)動脈粥樣硬化，加重心臟負荷，誘導心肌肥厚和心功能損害[50]。

產熱脂肪活性增加是寒冷條件下適應性非顫栗產熱的源泉，由于高表達UCP1，可損害線粒體氧化呼吸鏈，導致能量不能儲存，以熱能的形式消散，具有潛在的抵抗肥胖作用。研究發(fā)現，產熱脂肪功能受損的小鼠可過度分泌促炎因子而誘發(fā)胰島素抵抗和2型糖尿病[51]；高脂飲食誘導的胰島素抵抗小鼠移植人工誘導的產熱脂肪后，脂肪含量及體質指數BMI降低，糖耐量和胰島素敏感性都得到顯著改善[52]。上述研究提示，產熱脂肪可作為控制肥胖及相關疾病的的潛在靶點。然而人體內的經典棕色脂肪具有較大的年齡與個體差異，其含量/活性隨著年齡的增長逐漸減少，為通過激活棕色脂肪以治療肥胖及相關代謝疾病帶來難題[53]。而米色脂肪廣泛分布于白色脂肪庫，在冷刺激、交感神經興奮等生理刺激下，可發(fā)揮與棕色脂肪相似的產熱耗能作用，是健康成人體內主要的產熱脂肪。研究報道，在小鼠動物模型中，誘導米色脂肪活性可抑制飲食誘導的體重增加，提高其血糖穩(wěn)態(tài)[54]；體育鍛煉亦可通過激活交感神經、刺激鳶尾素(Irisin)分泌等誘導白色脂肪米色化，有效改善肥胖、糖尿病及其他代謝性疾病狀態(tài)[55-56]。因此，抑制白色脂肪分化成熟，誘導其向米色脂肪分化可能是未來肥胖及相關疾病防治的新方向。

表1三種脂肪細胞特點比較

特點白色脂肪細胞棕色脂肪細胞米色脂肪細胞分布皮下、內臟周圍嬰幼兒肩胛、腎周成人頸部、鎖骨、腋窩、脊柱旁；白色脂肪庫中含量機體絕大多數少量，隨年齡增長而減少少量形態(tài)單室、大脂滴多室，小脂滴，大量線粒體單室/多室，小脂滴細胞系起源Myf5-Myf5+Myf5-分子標記物Tcf21、Hoxc8等Cidea、Cox7α、Dio2、Elovl3等Hoxc9、Slc27a1、CD137、TMEM26、CITED等功能儲存能量產熱耗能產熱耗能產熱能力無強弱分化與功能異常后與肥胖關聯(lián)誘發(fā)肥胖及代謝性疾病對抗肥胖對抗肥胖

4 展 望

通過抑制白色脂肪細胞分化，減少脂質沉積而防治肥胖是相關研究領域的經典思路。近年來，隨著對棕色/米色脂肪功能認識的加深，通過誘導肥胖者體內米色脂肪活性來抑制肥胖已逐漸成為肥胖及相關疾病研究領域的熱點問題。文獻報道，β3腎上腺素受體激動劑(CL316243 和BRL37344)、辣椒素、白藜蘆醇等都能有效誘導體內產熱脂肪活性[57-59]。然而，如何針對誘導產熱脂肪形成，開發(fā)特異性更好，副作用更小的藥物仍是當前肥胖研究領域的一大難題。聚焦白色、棕色及米色脂肪的生物學特性及調控機制等方面的差異，有助于篩選特異性靶點，為肥胖及其相關代謝疾病的防治開辟新思路。

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10.15972/j.cnki.43-1509/r.2016.05.025

2016-04-12；

2016-05-13

湖南省自然科學基金資助項目(2015JJ3140).

*通訊作者，E-mail:yzhichun@126.com.

R363

A

秦旭平)

名詞概念介紹

CRISPR/Cas9

CRISPR/Cas9是細菌和古細菌在長期演化過程中形成的一種適應性免疫防御，可用來對抗入侵的病毒及外源DNA。當外源DNA入侵細菌時，其CRISPR系統(tǒng)會特異性地捕獲一段被稱為proto-spacers的外源DNA序列插入到前導序列與間隔重復序列之間，并伴隨一次重復片段的復制，這樣就形成了一段新的重復單元，這些重復單元就是細菌特異性免疫的結構基礎。之后，形成的重復單元會被轉錄形成前體CRISPRRNA(Pre-crRNA)，在核糖核酸酶(RNase)Ⅲ的作用下成熟。成熟的crRNA與tracrRNA通過堿基配對形成雙鏈RNA結構，并進一步與Cas9蛋白結合形成靶向切割復合體對外源DNA進行特異切割，達到識別和降解外源DNA的目的。在此基礎上，人們可以對基因組的特定位點進行基因打靶、基因定點插入、基因修復等各種遺傳操作。Makarova等根據適應階段的高度保守性及表達和干擾階段的差異性，將CRISPR系統(tǒng)分為3大類型：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。其中，Ⅰ型和Ⅲ型CRISPR系統(tǒng)介導外源DNA降解過程中需要多種Cas蛋白參與反應，形成的切割復合體結構復雜，Ⅱ型系統(tǒng)組分較為簡單，只需要一個Cas9蛋白來切割DNA雙鏈。

(楊麗 供稿)