Nature综述 | 产热脂肪:超越你想象（上篇）

已有 2093 次阅读 2021-10-10 23:14 |个人分类:代谢典藏|系统分类:科研笔记

Nat Rev Mol Cell Biol.综述

代谢典藏 | 产热脂肪：超越你想象（上篇）

撰文 | 于剑 崔翔迪 张喆 胡叶鹏 郭文秀

编辑 | 孟美瑶

莎士比亚给后世留下了 “一千个读者眼中有一千个哈姆雷特”。谁可曾想到，憨厚的脂肪君，竟也有多幅面孔呢。2021年3月23日在Nat Rev Mol Cell Biol.上在线发表的一篇标题为 “The cellular and functional complexity of thermogenic fat” 的综述，将脂肪细胞多副面孔（最新研究进展）娓娓道来。

关于脂肪细胞你所需知道的大部分知识都在里面啦！快来和小编一起围观吧。

摘要

棕色和米色脂肪细胞富含线粒体，能够以热量的形式消耗能量。产热脂肪细胞最初被认为仅仅通过线粒体解偶联蛋白1 (UCP1)产生热量。近年来，我们对产热脂肪器官发育、生物能量和生理功能的认识都取得了重大进展。不同亚型的产热脂肪细胞具有特定的发育起源，其在细胞和分子水平上的异同也得到越来越深入的解析。此外，多种UCP1非依赖产热机制的发现大大拓展了产热脂肪细胞在能量稳态中的作用。近期的研究还阐述了产热脂肪细胞在产热调节以外的作用，包括其作为活跃的分泌细胞和代谢库的角色。本篇综述介绍了目前我们对产热脂肪细胞的认识，重点聚焦其发育、生物学功能和在系统生理学中的作用。

▼ 名词解释

1、嵴（cristae）：由线粒体内膜折叠形成，在嵴上发生活跃的电子传递。

2、儿茶酚胺（catecholamines）：介导冷刺激产热的单胺类神经递质。

3、噻唑烷二酮类（又称格列酮类）（thiazolidinediones，TZDs）：PPARγ的合成配体，常用于2型糖尿病的治疗，同时具有促进产热和招募米色产热脂肪细胞的功能。

4、生皮肌节（dermomyotome）：发育过程中出现的上皮组织，由生皮节(形成表皮) 和生肌节(形成骨骼肌)组成，然后在胚胎发育过程中分离。

5、腹膜后脂肪组织（retroperitoneal WAT）：位于腹膜壁和腹后壁肌之间的白色脂肪组织(WAT)。

6、β3-肾上腺素能信号（β3-adrenergic signalling）：被冷刺激强力激活的信号通路，信号传导包括儿茶酚胺与β3-肾上腺素能受体(β3-ARs)结合，G蛋白偶联受体激活腺苷酸环化酶产生第二信使cAMP。

7、腹股沟脂肪（inguinal WAT）：位于前腹壁下部和腿部交界处的皮下脂肪组织，含有高水平的米色脂肪细胞。

8、胰岛素抵抗（insulin resistance）：胰岛素作用于靶器官质膜上的胰岛素受体，触发胰岛素信号，刺激合成代谢反应。在胰岛素抵抗的情况下，胰岛素的作用受损，最终可导致2型糖尿病。

9、线粒体自噬（mitophagy）：一种通过自噬来降解有缺陷的线粒体的选择性机制。

10、利钠肽（natriuretic peptides）：诱导肾脏排钠的肽类激素，包括心钠素(ANP)、脑钠素(BNP)、C型利钠肽(CNP)和D型利钠肽(DNP)。

11、肌细胞因子（myokine）：骨骼肌释放的一种分泌分子，如IL-6和鸢尾素，这两种物质都能够激活产热脂肪生成。

12、脂联素（adiponectin）：一种脂肪选择性分泌蛋白激素(脂肪因子)，参与调节葡萄糖和脂肪的稳态。总体而言，脂联素水平与代谢健康呈正相关。

13、辅助/壁龛细胞（ancillary/niche cells）：起支持作用的细胞，能够释放旁分泌因子

14、附睾白色脂肪组织（epididymal WAT）：附着在附睾上的内脏脂肪组织。小鼠的附睾白色脂肪组织(WAT)相对于腹股沟白色脂肪组织，米色化倾向较低。

15、γδT细胞（γδT cells）：T细胞的一个亚群，在其表面表达一组独特的(γ和δ链)T细胞受体（TCR），与传统的T细胞(αβT细胞)不同。

16、第2组先天淋巴样细胞（group 2 innate lymphoid cells，ILC2s）：先天淋巴细胞的一个亚群，能产生第二类细胞因子，如IL-5和IL-13。

17、甲硫氨酸脑啡肽（methionine-enkephalin，MetEnk）：内源性阿片肽，作用于δ-阿片受体，同时效应较低的作用于μ-阿片受体。

18、肥大细胞（Mast cells）：在炎症和过敏反应中释放组胺和其他物质的免疫细胞。

19、不变自然杀伤T细胞（invariant natural killer T cells）：识别脂质抗原的特殊T细胞。

20、α-半乳糖神经酰胺（α-galactosylceramide，α-GalCer）：一种合成的糖脂，能激活不变自然杀伤T细胞。

21、利拉鲁肽（liraglutide）：一种胰高血糖素样肽1受体(GLP1R)激动剂，起到肠促胰岛素（incretin）模拟物的作用，增加胰岛素的分泌。

22、呼吸链(也称为电子传输链)（ respiratory chain）：由多个蛋白质复合物组成，将电子从电子供体(如NADH)转移到电子受体，从而使质子穿过线粒体内膜，在线粒体内外膜间产生质子(H+)梯度。

23、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）：细胞利用一系列酶来氧化葡萄糖、脂肪酸和其他代谢物以产生ATP的代谢过程。

24、酰基肉碱（acylcarnitines）：源自肉碱和酰基辅酶A(acyl-CoA)的代谢物。酰基肉碱的产生使得脂肪酸能够被运输到线粒体基质中进行氧化。

25、亚磺酰化（sulfenylation）：一种翻译后蛋白修饰，在半胱氨酸残基上加一个硫基基团。

26、琥珀酸化（succinylation）：一种翻译后蛋白修饰，在赖氨酸残基上加一个琥珀酰基基团。

27、去乙酰化酶（Sirtuin）：一种具有NAD依赖的去乙酰酶活性的蛋白质，对维持细胞稳态起关键作用，如衰老、转录、应激反应、炎症和凋亡。

28、5’AMP活化蛋白激酶（AMPK，5′AMP-activated protein kinase）：一种异三聚体酶复合体，能被胞内低ATP，包括低糖和低氧情况下被激活，刺激葡萄糖和脂肪酸的分解代谢和自噬。

29、瘦素（leptin）：一种脂肪细胞衍生的激素，调节食物摄入和能量消耗。

30、N-酰基氨基酸（N-acyl amino acids）：一种脂质分子，由脂肪酸尾部与氨基酸头部基团共价连接形成。

正文

脂肪组织曾被认为是一个被动的脂质储存库。然而，现在人们已经很清楚地认识到，脂肪组织是一个活跃的代谢器官，其在调节全身能量稳态中起关键作用，能够影响包括食物摄入、葡萄糖代谢、胰岛素敏感性、产热以及免疫反应等众多进程。脂肪组织中的实质细胞主要是脂肪细胞（adipocytes/fat cells）。一直以来，人们认为哺乳动物体内存在两种不同功能和形态的脂肪细胞—白色和棕色脂肪细胞。简言之，白色脂肪细胞含有大的单房脂滴和少量线粒体，而棕色脂肪细胞则有大量小的多房脂滴和大量含有高密度嵴（cristae）结构的线粒体，表明它们具有巨大的产能潜力(图1a)。棕色脂肪细胞的产热活性能够被冷刺激高度激活，促进能量底物(如脂肪和糖)吸收，加快细胞代谢，尤其是线粒体代谢。此外，在成年小鼠中发现部分脂肪祖细胞和存在于白色脂肪组织(WAT)中的白色脂肪细胞能够“变褐”（beiging）或“褐色化”（browning），即指响应冷刺激、儿茶酚胺（catecholamines）、运动、噻唑烷二酮类（thiazolidinediones，TZDs）、损伤而产生棕色样(brown-like)产热脂肪细胞(也称为米色(beige/brite)脂肪细胞)的过程。这些米色脂肪细胞也能够产热，并且在形态和生化特征方面与棕色脂肪细胞有许多相似之处，包括多房脂滴和嵴密集的线粒体(图1a)。小鼠体内有几个包含棕色脂肪细胞的脂肪组织库，被称为棕色脂肪组织(BAT)，这些脂肪组织在出生前形成，并在成年动物中得以维持。在人类中，“经典的”棕色脂肪细胞在肩胛间BAT库发育并成熟，且只在婴儿时期存在(图1b；补充框1)。

从功能上来说，产热脂肪组织在非颤栗性产热中起着关键作用，这是一种受冷暴露激活用以抵抗低温、且不涉及肌肉颤栗的生热过程，这一机制可将多余能量作为热量消耗以维持能量平衡。然而，必须注意的是，棕色和米色脂肪在全身能量稳态中的生物学意义远不止是增强能量消耗，它们在调节糖脂代谢、胰岛素敏感性、以及脂肪组织稳态中也起着重要作用。因此，调节褐色/米色脂肪细胞的数量和功能正在成为调控人类能量代谢的一种策略，并有望被应用于肥胖症和糖尿病的治疗。在本文中，我们总结了该领域的研究现状，重点介绍产热脂肪细胞的细胞和功能异质性，以及它们在生理学中的作用。

图1 生热脂肪细胞的特征及解剖学分布。

a．哺乳动物拥有多种类型的脂肪细胞，它们具有不同的代谢、形态、位置和发育时期。棕色脂肪细胞是一种组成型的、胚胎(生皮肌节)来源的细胞类型，成簇生成于特定位置，如小鼠和婴儿的肩胛间棕色脂肪组织(BAT)库。另一方面，米色脂肪细胞是一种可招募的、非生皮肌节源性的细胞类型，常见于出生后的白色脂肪组织(WAT)库中。由于米色脂肪细胞通常被白色脂肪细胞所包围，因此被认为具有介于白色和棕色脂肪细胞之间的中间色。棕色和米色脂肪细胞都以热的形式消耗能量，而白色脂肪细胞负责储存能量。线粒体丰度是决定脂肪颜色(棕色/米色和白色)的主要因素。棕色和米色脂肪细胞含有大量嵴致密的线粒体，其中含有高水平的铁，使得其组织呈现棕色。相比之下，白色脂肪细胞的线粒体较少。这些细胞的脂滴形态也不同。棕色和米色脂肪细胞有许多小的脂滴(多房脂滴)，而白色脂肪细胞含有一个大的脂滴(单房脂滴)用于储存脂质。

b. 成年小鼠中有多个BAT库。其中肩胛间BAT是小鼠中最大的BAT库，在出生前便已发育成熟。除了这些储存库，某些信号(冷、肾上腺素能信号)可以促进小鼠前部皮下和腹股沟出现米色脂肪细胞。肩胛上脂肪库也被定性为米色脂肪。值得注意的是，米色脂肪生成的调控与以肩胛间BAT为例的棕色脂肪生成具有明显不同。小鼠的产热脂肪细胞在胸主动脉周围的血管周围脂肪组织和冠状动脉周围的心外膜脂肪组织中也有发现(未展示)。目前尚不清楚这些细胞是棕色还是米色脂肪细胞，或者是另一种全新的产热脂肪细胞。人类至少在六个解剖区域拥有BAT库，包括颈部、锁骨上、腋窝、纵隔、脊柱旁和腹部。肩胛间BAT库在婴儿中最为突出，随着年龄的增长而逐渐减少。成人中有些BAT库具有小鼠BAT库类似的解剖学位置。

▼补充框一：BAT和发育谱系

棕色脂肪组织（BAT）由多种细胞类型组成，包括产热脂肪细胞、非产热脂肪细胞、祖细胞、内皮细胞、成纤维细胞，以及各种免疫细胞。大多数人类研究都用“BAT”来描述，因为分析主要是在组织水平上进行的；然而，这并不代表这些组织的发育谱系。

“经典”棕色脂肪细胞一词，最初是为了区分其源自出生前的生皮肌节，并与源自非生皮肌节起源的可招募型的产热脂肪细胞，如米色脂肪细胞相区分。因此，“经典”代表了其发育谱系，而不是组织定位或细胞形态。例如，成人锁骨上BAT库含有多种产热脂肪细胞群体，包括米色脂肪细胞，其细胞组成随BAT组织的的深度而异。此外，当小鼠长期适应于热中性条件时，小鼠肩胛间BAT表现出“白色化”，但这种形态变化并不会改变其发育谱系。

米色脂肪细胞是否存在于人类皮下WAT中曾经受到质疑，这主要是因为早期使用¹⁸F-FDG-PET-CT未能检测到皮下WAT中葡萄糖的主动摄取。然而，最近一项使用高灵敏度¹⁸F-FDG-PET-CT的研究在分布于广泛的解剖学位置的人体脂肪库中（包括腹部区域）都检测到了活跃的葡萄糖摄取。更直接的证据表明，反复冷暴露（每天冷诱导30分钟，持续10天）以及10周的长期米拉贝隆（mirabegron）治疗，可使成人皮下WAT中线粒体呼吸和米色脂肪特异基因表达（UCP1和TMEM26）显著增加。值得注意的是，长期米拉贝隆治疗在肥胖人体受试者中改善了胰岛素敏感性，这与皮下WAT（例如皮下WAT中的米色脂肪细胞）中UCP1表达增加呈显著正相关。因此，成年人类中的确存在可招募的、非生皮肌节起源的米色脂肪细胞，它们存在于既有的BAT库中和皮下WAT中。 

棕色和米色脂肪细胞的形态特征相似，都能够产热。正如接下来将要讨论的，这一过程涉及多种机制，其中被解析最透彻的是解偶联蛋白1 (UCP1)的调节作用，它也是棕色脂肪细胞和大部分(但不是全部)米色脂肪细胞的标志物。然而，尽管存在这些相似点，棕色和米色脂肪细胞仍被认为是不同类型的细胞，因为二者在发育起源、解剖位置(图1b)以及调控和功能方面存在差异。此外，近期研究已经确定了发育起源不同的米色脂肪细胞亚型，它们可能具有独特的生物学功能，提示产热脂肪具有细胞异质性。

棕色脂肪细胞在个体出生前便已发育，因此其产热功能一出生即十分活跃。这一特点非常重要，因为BAT为新生动物的非颤栗产热所必需。在发育过程中，小鼠胚胎棕色脂肪细胞来源于生皮肌节（dermomyotome）中的前体细胞并表达体节标志物，如engrailed 1 (En1)、成肌因子5(Myf5)、成对盒蛋白3和7(Pax3，Pax7)和间充质同源框1(Meox1)。脉冲谱系追踪研究表明棕色脂肪细胞的命运在妊娠中期决定。最近的一项研究通过在近轴中胚层状态下的多能干细胞中表达MYF5和PAX3，生成了功能性的人类棕色脂肪细胞，这表明棕色脂肪细胞的发育起源在小鼠和人类中是进化保守的。

相比之下，米色脂肪细胞是在出生后形成的，其来源于非生皮肌节细胞谱系。在小鼠中，UCP1⁺脂肪细胞最初在小鼠出生10-30天后出现在腹膜后WAT（retroperitoneal WAT）中，随后消失或转变为休眠状态。在成年小鼠中，功能性米色脂肪细胞响应米色化信号如寒冷和β3-肾上腺素能信号（β3-adrenergic signalling），以可诱导的方式出现。越来越多的证据表明，小鼠体内存在着不同于胚胎棕色脂肪祖细胞（APC）的米色脂肪祖细胞库。例如，小鼠出生后在腹股沟WAT（inguinal WAT）发育过程中出现的米色脂肪细胞源自Mf5阴性前体细胞。此外，冷暴露后，在WAT基质血管部分（SVF）中鉴定出了具有独特基因表达特征的细胞（表达Acta2(编码平滑肌肌动蛋白(αSMA))、Sm22、Pax3、Cd81和Pdgfra），这些细胞被认定为米色脂肪前体细胞。2周左右的长期寒冷暴露则能够刺激表达Myh11或Pdgfrb的祖细胞生成米色脂肪细胞。但是，尚不清楚表达Myh11或Pdgfrb的细胞与表达αSMA的细胞是否是不同的祖细胞。

米色APCs与其他APCs都表达共同的细胞表面标记蛋白，如PDGFRα和干细胞抗原1 (SCA1)，因此至今仍不清楚是何因素让米色APCs不同于其他APCs。源自单细胞RNA测序的新数据鉴定出一个以细胞表面蛋白CD81为标记的APCs亚群，该亚群具有平滑肌基因特征(如表达Acta2和Sm22)，其存在于脂肪组织基质中，并在冷刺激后分化成米色脂肪细胞。这表明CD81是米色APCs的特异性细胞表面标志物。后续研究表明CD81在这些细胞中介导整合素信号，其表达可预防饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗（insulin resistance），这进一步说明CD81是感受外部信号(激素信号，另见下文)的关键感受器，并控制米色APC生成和全身能量稳态。之前的研究还发现转录因子EBF2是成年后的WAT响应冷刺激、形成米色脂肪的特异性标志物。人类皮下WAT中米色脂肪生成同样由β3肾上腺素能受体（β3-AR）信号的长期激活所诱导。人类米色APCs已被证明存在于脂肪组织毛细血管壁内，并在促血管生成因子的作用下分化成产热的米色脂肪细胞。此外，从人类腹部皮下WAT中可分离出PDGFRα阳性、WAT APC标志物CD34阴性的基质细胞，在体外培养下能够向米色脂肪细胞分化。近期的研究在无血清培养基中，从脂肪来源的基质细胞中获得了人类米色脂肪细胞。值得注意的是，米色脂肪前体细胞的转录谱在分化前就不同于白色脂肪前体细胞。因此，米色脂肪命运可能在祖细胞期便已决定。然而，即使不是全部、皮下WAT中绝大多数脂肪细胞在长期寒冷暴露下可以转化为米色脂肪细胞，提示脂肪祖细胞可能保有一定程度的可塑性，使其能够应对环境应激(例如长期寒冷)。目前需要更多体内谱系追踪数据来进一步明确米色APCs的发育起源和调控过程。

如上所述，有证据表明产热脂肪细胞是由特定前体细胞生成的，通过使用Adipo-Chaser(诱导型脂联素-Cre谱系追踪)系统的谱系追踪实验证实了米色脂肪细胞主要通过前体细胞分化而来 (即从头生成)。然而，啮齿类动物产热脂肪的早期研究显示，冷暴露或β3-AR激动剂CL316,243诱导的米色脂肪细胞直接来自于现有的成熟白色脂肪细胞，通过直接的白色向米色转化或转分化过程产生。尽管这些现象看似相互矛盾，但最近的一项研究表明在小鼠体内，直接转化途径和从头生成途径是并存的，但特定途径的贡献受到实验条件的影响，如冷暴露前的温度(环境温度或热中性)、外部刺激(冷暴露或使用β3-AR激动剂)或报告系统。例如，当小鼠在环境温度(20–23℃)下饲养，随后暴露于低温(6℃)时，约50%的米色脂肪细胞(界定为UCP1⁺多房脂肪细胞)通过脂肪从头生成产生的，另一半则来自于已有的脂肪细胞。然而，当处于热中性环境(30℃)的小鼠被暴露于6℃时，大部分(88%)新招募的米色脂肪细胞来自从头生成，提示活跃的祖细胞增殖 (图2)。早期研究发现腹股沟WAT中几乎检测不到米色脂肪细胞增殖的迹象；而近期研究表明，皮下WAT中的一小部分PDGFRα⁺/SCA1⁺基质细胞（标志物为CD81）在冷暴露后高度增殖，并形成米色脂肪细胞。值得注意的是，随着年龄的增长，米色APC的增殖显著降低，导致米色脂肪从头生成减弱；因此，年龄也是影响产热脂肪生成机制的重要因素。

另一个有趣的现象是，在外部刺激消失后，新招募的米色脂肪细胞会转变为休眠脂肪细胞，并表现出白色脂肪细胞的特征(单房脂滴、少量线粒体、不具有产热性)—这一过程被称为“白色化”或米色向白色脂肪转化 (图2)。这种米色向白色脂肪的转化并不涉及成熟脂肪细胞去分化为祖细胞的过程。单细胞分辨率形态学追踪和转录研究数据支持这一结论，发现在去除米色化刺激后，细胞内形成单房脂滴的同时，线粒体数量和产热基因表达也逐渐减少。接着，这些“白色化”的休眠脂肪细胞可以在新一次冷刺激后重新激活产热基因程序(图2)。在经历第二次冷刺激后，腹股沟WAT中约一半的米色脂肪细胞是来自于这些休眠细胞。由此可见，源自现有脂肪细胞的米色脂肪细胞生成是通过在白色化/休眠的脂肪细胞中重新启动产热程序而实现的。从机制上讲，米色到白色脂肪细胞的转化由线粒体自噬（mitophagy）引发，并受到锌指蛋白ZFP423的负调，ZFP423缺失则会导致白色向米色的转化。此外，米色到白色脂肪的转化伴随着染色质结构的改变，以产生类似白色脂肪细胞的染色质状态。让人好奇的是，棕色脂肪细胞在热环境下也会产生单房脂滴，但它们的染色质结构保持不变。

总之，无论是从头生成还是直接转化机制都对产热脂肪的形成有所贡献。目前已逐渐形成产热脂肪刺激起源学说，生命早期的刺激引发最初的APC增殖和米色脂肪从头生成。这些米色脂肪细胞在刺激消失后失去产热功能，大多数米色脂肪细胞获得白色脂肪细胞特征并进入休眠状态。由于这些“白色化”的脂肪细胞可以迅速重启产热程序，所以最初的APCs库及其休眠的子代可以被认为是成年后产热能力的主要决定因素。即便如此，从特定祖细胞生成米色脂肪细胞、米色脂肪细胞活性状态维持和从休眠状态中复苏等机制都对产热功能有所影响，而这些要素可能随WAT内的位置不同和遗传背景不同而变化。阐明米色脂肪细胞起源的这些差异将是未来研究中有潜力的领域。

图2：米色脂肪生成。

白色脂肪组织中的米色脂肪细胞生成(米色化)是一个由外界米色化刺激(如冷、肾上腺素能配体)诱导的过程。这可能涉及祖细胞参与的从头分化(路径1)或在休眠细胞中再激活产热进程(路径3)。图中标示了与这些转变相关的不同细胞类型的关键分子标志物。米色脂肪细胞的从头分化源自特定的祖细胞，其经历细胞增殖、脂肪前体细胞命运决定和分化成脂肪细胞。与成熟脂肪细胞相比，祖细胞和脂肪前体细胞含有少量的线粒体。当外界米色化刺激消失时，富含线粒体的米色脂肪细胞转变为类似白色脂肪细胞的休眠脂肪细胞(白色化或米色向白色脂肪转化)(路径2)。米色脂肪的白色化由选择性自噬(线粒体自噬)主动清除线粒体所介导，并不涉及脂肪细胞的去分化/再分化。当再次接收到米色化刺激时，许多处于休眠状态的脂肪细胞可以重新启动产热程序 (路径3)。这一过程涉及到活跃的线粒体生成。SCA1，干细胞抗原1；UCP1，解偶联蛋白1。

最经典的产热刺激是寒冷。首先，冷暴露会激活分化的棕色和米色脂肪细胞。冷暴露时，交感神经末梢会释放儿茶酚胺并触发细胞内信号，如激活β-AR产生cAMP信号。来源于ATP分解的腺苷可由交感神经释放或通过棕色脂肪细胞的自分泌/旁分泌释放，并通过A_2A受体激活小鼠棕色脂肪细胞产热，促进皮下WAT米色脂肪细胞生成。此外，最近的研究发现了多种化合物，包括成纤维细胞生长因子21 (FGF21)、利钠肽（natriuretic peptides）和噻唑烷二酮类等，能够介导冷诱导下的产热脂肪生成，同时也发现一些转录调控因子和表观遗传调控因子参与调节该生物发生进程（已在其他综述中总结）。生热作用也可跨代系调控，例如，已发现雄性小鼠在冷环境中，其精子会发生表观遗传变化，促使后代的产热脂肪功能增强。

虽然我们知道多种刺激可以促进米色脂肪生成，但对米色APCs响应诱导信号被激活和增殖的过程仍知之甚少。例如，β3-AR激动剂可促进WAT中米色脂肪生成；然而β3-AR仅在分化的成熟脂肪细胞中表达，而在祖细胞中不表达。药物抑制β1-AR可降低冷刺激诱导的米色脂肪生成，并在培养的棕色脂肪前体细胞中抑制去甲肾上腺素激活的DNA合成；因此，来自交感神经的去甲肾上腺素可能，至少部分地，通过β1-AR而非β3-AR作用于米色APC的生长。在刺激诱导米色脂肪生成的过程中，β3-AR激动剂可能主要作用于现有的“白色化”脂肪细胞以再激活其产热程序，而受到β3-AR激活的成熟脂肪细胞可能释放因子(如脂肪酸、脂质、分泌肽)，转而刺激祖细胞生长(图3a)。的确，冷刺激能促进α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）阳性的间质祖细胞向米色脂肪细胞分化，而特定的β3-AR激动剂则能够诱导米色脂肪细胞从现有的白色脂肪细胞转化而来，而不是由间质中表达αSMA的祖细胞分化而来。除了以上的脂肪细胞间的非细胞自主交流外，越来越多的证据表明免疫细胞在调节产热脂肪功能中也具有非细胞自主作用(框 1)。免疫细胞衍生因子以旁分泌方式作用并调节产热脂肪细胞分化与功能。

近期发现的以PDGFRα/SCA1和CD81为标志物的祖细胞群为米色APC生长的分子调控提供了新的见解。在米色APCs中，CD81与αVβ1、αVβ5整合素形成复合物，而该复合物为鸢尾素(irisin,一种运动后分泌的肌肉因子（myokine），可刺激米色脂肪生成)激活黏着斑激酶(FAK)信号，促进祖细胞增殖的过程所必需。一些激素中，如血管生成素样4(ANGTPTL 4)，也可通过β1和β5整合素激活整合素-FAK信号，促进米色脂肪生成。可见除了鸢尾素外，CD81-整合素复合体还可以响应激素信号控制米色APC生长。其他调节成脂微环境的自分泌因子将在下面讨论(见分泌功能小节)。另外，经诱导后，米色脂肪细胞会在WAT内形成大细胞簇，即使在神经支配不密集的区域也是如此，可见米色脂肪细胞可能不会对肾上腺素能信号产生强力的反应。细胞能够通过连接蛋白43 (Cx43) 形成的间隙连接通道放大胞内产热信号(如cAMP) (图3a)，这可能对以上现象做出一定解释。总之，各种神经和激素因子通过作用于祖细胞(从头生成)和现有脂肪细胞(维持、再诱导)来控制米色脂肪生成。 

图3a：产热脂肪的调节。

在成熟脂肪细胞中，从交感神经末梢释放的去甲肾上腺素与β3-肾上腺素能受体(β3-AR)结合。这会再启动休眠细胞的产热程序，并从脂肪细胞释放脂肪酸和旁分泌/自分泌因子(例如成纤维细胞生长因子21(FGF21))，从而刺激米色脂肪细胞从祖细胞向米色脂肪细胞的从头分化。激素信号，包括IL-6、骨形态发生蛋白(BMPs)、成纤维细胞生长因子21(FGF21)和心钠素(ANP)在内的激素信号被证明可促进米色脂肪细胞生成，尽管每种米色化激素促进从头分化或白色向米色转化的程度还有待进一步研究。米色化激素的作用在别处已有综述总结。即使在神经不密集的区域，即没有暴露于β3-肾上腺素能信号，产热信号能通过连接蛋白43(Cx43)形成的缝隙连接通道在细胞内扩大，促进产热脂肪生成。

 ▼框1：免疫细胞在产热脂肪功能调节中的作用

如上所述，产热脂肪生成是一个多方面的过程，涉及各种细胞类型、信号分子、细胞调节因子以及多种细胞间通讯手段。而有证据表明产热脂肪组织间的区别不仅仅是棕色和米色脂肪细胞那么简单，其中存在多种祖细胞和脂肪细胞亚群 (图3b)，这使得产热脂肪生成的调控变得更为复杂。最近一项研究发现了一种独特的米色脂肪细胞亚型，其以GA结合蛋白-α（GABPα）依赖的方式起源于腹股沟WAT淋巴结附近的肌源性PDGFRα⁺祖细胞。这种米色脂肪细胞亚群的特点是高度活跃的葡萄糖分解代谢(主要以葡萄糖而不是脂肪酸作为代谢燃料)，因此被称为g-米色脂肪。值得注意的是，g-米色脂肪的产生受非肾上腺素能信号所诱导，通过烟碱乙酰胆碱受体亚基CHRNA2下游信号对腹股沟WAT中多种免疫细胞产生的乙酰胆碱做出响应。这种独特的不依赖肾上腺素能信号通路的产热脂肪细胞亚群可在高脂饮食下、尤其是经典β肾上腺素能信号受损时，对能量代谢起代偿作用。最近的一项研究也指出，小鼠腹股沟WAT中米色脂肪细胞的围产期发育并不依赖交感神经信号，而受转录因子B细胞淋巴瘤6 (BCL-6)调节。 

作为产热细胞异质性的另一个例子，小鼠肩胛间BAT中包含两种高表达或低表达脂联素（adiponectin）的棕色脂肪细胞亚型(Adipoq^high和Adipoq^low)。与Adipoq^high脂肪细胞相比，Adipoq^low脂肪细胞的产热基因表达水平较低，并含有较大的脂滴和较少的线粒体(图3b)。Adipoq^low脂肪细胞同时表达内皮标记物。有趣的是，这两种亚型在BAT中的比例是可变的，且其变化与细胞死亡无关。Adipoq^high棕色脂肪细胞在暴露于冷环境的小鼠中增多，且随着年龄增长而减少。此外，对来自小鼠单个WAT库的脂肪细胞进行克隆分析发现了多个脂肪细胞亚群，它们具有不同的细胞代谢，对炎性细胞因子TNF、胰岛素和生长激素的反应性不同，但这些群体在全身代谢中的生物学作用需要进一步研究。同样，对人类脂肪组织的克隆分析发现了多种具有不同分子和代谢特征的脂肪细胞亚型。此外，对小鼠BAT和人类产热脂肪库的单核RNA测序发现了一个低丰度的脂肪细胞亚群，它们作用于邻近的棕色脂肪细胞，并通过增加短链脂肪酸乙酸酯的局部浓度负调其产热活性。这些研究为单一脂肪库中具有不同分子和代谢特征的不同脂肪细胞亚群提供了新的见解。鉴于这些脂肪前体细胞亚群和成熟脂肪细胞亚群具有不同的分子特征，它们的细胞谱系很可能在祖细胞阶段便已明确，而脂肪祖细胞的异质性则需要更多的研究来确定。

最近的单细胞RNA测序分析还在脂肪组织基质中发现了各类细胞群体，如影响脂肪细胞分化的辅助/壁龛细胞（ancillary/niche cells）。例如，WAT的皮下基质部分包含一群功能特异的SCA1⁺细胞 (称为“成脂调节”细胞，CD142⁺ABCG1⁺SCA1⁺)，其能够抑制邻近的脂肪前体细胞的成脂能力。小鼠附睾WAT（epididymal WAT）中则含有特殊的PDGFRβ⁺血管周围细胞亚群，被称为纤维炎症祖细胞，能够抑制成脂，转而激活促炎基因程序。此外，小鼠和人的皮下WAT中含有多种细胞类型，如表达二肽基肽酶4 (DPP4)的具有高度增殖能力的祖细胞，表达细胞间粘附分子1 (ICAM1)的定向脂肪前体细胞，以及表达CD142和CLEC11a的其他特殊祖细胞。下一步需明确各基质群体在调节脂肪组织稳态和维持能量代谢中的作用。

图3b：产热脂肪的异质性。

单细胞分析的最新进展表明，产热脂肪具有异质性，包含不同分子和功能特征的脂肪细胞群体。例如，小鼠的肩胛间棕色脂肪组织(BAT)包含两种功能不同的棕色脂肪细胞亚型，高表达或低表达脂联素 (Adipoq^high和Adipoq^low)。在小鼠腹股沟白色脂肪组织(WAT)中，米色脂肪的诱导一般受β-AR信号调控。然而，在腹股沟WAT中发现一组不依赖于β-AR信号的米色脂肪细胞群，由烟碱型乙酰胆碱受体CHRNA2亚基下游信号驱动。值得注意的是，与产热脂肪细胞一般使用脂肪酸为主要燃料所不同的是，这些脂肪细胞主要使用葡萄糖作为代谢燃料，因此被称为g-米色脂肪细胞。这群细胞不是起源于平滑肌肌动蛋白(αSMA)阳性的脂肪祖细胞（APCs），而是起源于表达PDGFRα和MYOD的APC，其中MYOD之前被认为与白色或米色脂肪细胞系无关。UCP1，解偶联蛋白1。

顾名思义，产热脂肪细胞的关键功能是参与产热过程，而寒冷能够强烈的诱导产热。经过几十年的研究，非颤栗产热途径(即独立于肌肉活动)已被完整解析，该途径聚焦于线粒体新陈代谢，具体而言，线粒体呼吸过程中通过呼吸链（ respiratory chain）传递的电子被UCP1活性解偶联，不再产生ATP (即解偶联呼吸)。这一途径的激活依赖于转录共调节蛋白PRDM16，其可以与多种蛋白(如EHMT1)形成复合物。

长期以来，人们一直认为UCP1是哺乳动物中唯一的“产热素”。然而，体温调节和能量稳态这样的重要生理过程往往不止一种调控方式，与此类似，现在我们也意识到非颤栗产热并不完全由UCP1介导 (值得注意的是，一些哺乳动物物种，如猪，缺乏功能性UCP1基因，但仍可以维持自身体温)。的确，近期研究已在哺乳动物中发现了数种不依赖于UCP1的非颤栗产热途径。

UCP1依赖的产热机制

UCP1于1976年被分离鉴定，随后其序列被测定。在小鼠中，UCP1基因的缺失会导致急性冷暴露后的严重低温，而其同源物UCP2或UCP3基因的缺失则不会导致类似的低温表型。基于这些研究，UCP1被认为是介导适应性产热的关键因子。

通常情况下，线粒体通过氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）生成ATP，与此不同的是，棕色脂肪组织的线粒体中，电子传递链被从ATP合成途径中解偶联，用于产生热量。UCP1介导质子穿过线粒体内膜，耗散质子(H⁺)梯度，从而产生热量，同时缓解了因ATP/ADP比率上升导致的呼吸抑制(图4a)。UCP1在这一呼吸解偶联过程中的作用已被一系列精巧研究所证实。首先，嘌呤核苷酸(ATP，ADP，GTP，GDP)被证明可以通过直接与UCP1结合而有效地抑制线粒体解偶联活性，并在此基础上发展出从棕色脂肪线粒体中分离UCP1的实验手段。UCP1活性的另一关键调控因子是长链脂肪酸。长链脂肪酸(长于C8)与UCP1的直接结合可以克服嘌呤核苷酸对其的抑制作用，触发线粒体质子电导，但长链脂肪酸与嘌呤核苷酸竞争UCP1的结构基础尚不清楚。UCP1是一个脂肪酸阴离子/质子共转运体，当带负电的长链游离脂肪酸与UCP1直接结合时，会触发质子流向线粒体基质。

触发UCP1解偶联作用的脂肪酸最初被认为来源于棕色脂肪细胞内的新生脂解作用，即由冷刺激或β3-AR激动剂诱导的棕色脂肪细胞的脂解作用，该过程中产生的脂肪酸可以与UCP1结合，也可用于β氧化。然而，在BAT中特异性敲除脂解关键调节因子，如脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)或ATGL激活蛋白比较基因识别58(CGI58)，并不会在小鼠中削弱BAT的产热作用。相反，在白色脂肪和棕色脂肪中同时敲除ATGL或CGI58，则会导致BAT产热缺陷。由此可见，激活UCP1需要来自白色脂肪组织脂解产生的脂肪酸，而不是产热脂肪细胞的从头脂解。脂解衍生的脂肪酸通过产热脂肪细胞质膜上的转运蛋白CD36被摄取，CD36已被报道为冷刺激诱导的产热所必需。值得注意的是，酰基肉碱（acylcarnitines）作为β氧化的重要底物，能够为BAT产热提供燃料。WAT脂解促进肝脏产生酰基肉碱，随后被BAT主动吸收并利用。

最近的研究发现UCP1功能受翻译后修饰的调节。UCP1的Cys253半胱氨酸残基在冷暴露时受线粒体活性氧作用而磺基化。该亚磺酰化（sulfenylation）位点位于线粒体基质侧，靠近嘌呤核苷酸结合位点。Cys253突变会降低去甲肾上腺素激活的解偶联呼吸，表明UCP1亚磺酰化为UCP1激活所必需。UCP1在线粒体基质侧的Lys56和Lys151赖氨酸残基可以被琥珀酰化，这些位点的琥珀酸化（succinylation）又可以被线粒体去乙酰化酶家族（sirtuin）Sirt5逆转。当把这些位点突变为具有类酰基结构的谷氨酸时，会显著降低UCP1蛋白质稳定性，表明UCP1的琥珀酰化对解偶联活性有负向调节作用。 

图4a：脂肪细胞的产热机制。

解偶联蛋白1(UCP1)介导的线粒体呼吸解偶联。UCP1位于线粒体内膜，将的质子(H+)梯度与ATP合成解偶联。UCP1活性被嘌呤核苷酸抑制，羧基端带负电荷的长链游离脂肪酸(LCFA；尾部标有红色)与UCP1结合，触发UCP1作为脂肪酸阴离子/H+共转运体介导H+进入基质。

UCP1无疑是产热的关键驱动力。尽管如此，过去几年的研究发现了数条UCP1非依赖的产热途径，这些途径已被证明参与全身能量稳态的调节。

UCP1非依赖产热的基础是无效代谢循环机制，即一个ATP消耗反应与一个反向能量反应同时发生。这些无效循环对整体不产生任何影响，但该过程消耗了ATP并以热量形式产生能量耗散。值得注意的是，相对于棕色脂肪细胞，米色脂肪细胞具有更强的ATP合成能力。因此，若UCP1敲除小鼠通过逐步适应寒冷环境而拥有足够多的米色脂肪，那么这些小鼠就可以利用米色脂肪中的ATP依赖的无效循环机制来维持产热。

UCP1非依赖的无效机制之一是Ca²⁺循环产热作用（图4b）。Ca²⁺通过肌浆/内质网钙ATP酶（SERCA）被内质网(或肌肉中的肌浆网)摄取，通过法尼基受体（RYRs）或三磷酸肌醇受体（IP3R）释放，胞浆Ca²⁺水平通过这两个过程维持平衡。在ADP受限 (即高ATP/ADP比值)并且胞内Ca²⁺浓度较高时， SERCA的ATP水解功能与Ca²⁺泵入内质网/肌浆网腔的功能之间会出现解偶联，这导致SERCA持续消耗ATP和能量，出现能量耗散（骨骼肌中能量耗散大约为14-16千卡/摩尔Ca²⁺，但具体数值随组织类型变化而不同）。以上过程是恶性高热的主要产热机制。在恶性高热中，肌浆网膜RYR1基因突变或麻醉药物会引发Ca²⁺从肌浆网/内质网不受控制的向胞浆释放。此外，肌脂蛋白(SLN)，一种在骨骼肌中结合SERCA1的微肽，可以解偶联ATP水解和Ca²⁺泵入肌浆网，促进非颤栗产热。尽管以上机制主要是在骨骼肌中发现的，但米色脂肪细胞可以表达SERCA亚型SERCA2B，并且有证据表明其活性介导了重要的UCP1非依赖产热机制。实验证明寒冷刺激通过激活α1-AR触发胞内Ca²⁺内流，或通过激活β3-AR信号促进RYR2活性触发内质网释放Ca²⁺，最终激活SERCA2B通路。最近的一项研究表明，通过无线控制植入式光遗传设备在脂肪中特异性激活胞内钙循环，能够在小鼠中触发UCP1非依赖的钙循环依赖产热，增加全身能量消耗，防止饮食诱导的肥胖。另外一项新研究证明，5’AMP激活的蛋白激酶(AMPK，5′AMP-activated protein kinase)在低蛋白/高碳水化合物饮食中被激活，能够通过SERCA途径在小鼠皮下WAT中激活Ca²⁺循环产热。

图4b：脂肪细胞的产热机制。

钙离子进出内质网的无效循环是米色脂肪细胞UCP1非依赖产热机制之一。这涉及肌浆/内质网钙ATP酶2B(SERCA2B)摄取Ca²⁺进入内质网，以及兰尼碱受体2(RYR2)和三磷酸肌醇受体(IP3R)释放Ca²⁺，这一过程与SERCA2B水解ATP相偶联，并与产热有关。去甲肾上腺素激活α1肾上腺素能受体(α1-AR)和β3-AR，触发细胞Ca²⁺流动及其无效循环。在某些条件下，当细胞内Ca²⁺水平升高(例如，RYR2或IP3R释放Ca²⁺增加)、ATP丰度增加(高ATP/ADP比值)或SERCA2与Ca²⁺结合亲和力降低(通常受微肽调节)，SERCA2的Ca²⁺摄取与ATP水解解偶联，导致高度产热。

第二个产热代谢物无效循环机制是肌酸循环，与肌酸的磷酸化和去磷酸化有关 (图4c)。在ADP受限条件下，线粒体肌酸激酶(Mi-CK)介导的肌酸磷酸化与磷酸肌酸(PCr)水解同时发生，从而产生了肌酸驱动的无效底物循环。甘氨酸氨基转移酶(Gatm)是肌酸生物合成的限速酶， Gatm脂肪特异性缺失会减少全身能量消耗，并导致饮食诱导的肥胖,且这一效应与UCP1无关。此外，细胞表面肌酸转运蛋白SLC6A8缺失会降低小鼠能量消耗。这些研究表明，在ADP受限的条件下，无论UCP1表达如何，肌酸循环都是一个重要的产热途径。然而，目前尚不清楚产热刺激是如何诱导和调节肌酸循环的。

图4c：脂肪细胞的产热机制。

另一UCP1非依赖产热机制是肌酸底物循环，该过程涉及肌酸被线粒体定位的肌酸激酶以ATP依赖的方式磷酸化，形成磷酸肌酸(PCr)，以及磷酸肌酸被未知的二磷酸酶(Enz1-n)去磷酸化。

第三个产热无效循环是基于三酰甘油(TAG)和脂肪酸之间的转化机制(图4d)。TAG水解由一系列脂肪酶催化，包括ATGL、激素敏感脂肪酶(HSL)和单酰基甘油脂肪酶(MGL)，最终生成甘油和游离脂肪酸(FFAs)，在禁食状态下释放并被肝脏和肌肉所利用。然而，这些脂肪酸也可以被重新酯化成TAG，形成脂肪细胞中的无效TAG-脂肪酸循环。值得注意的是，这一无效循环路径可被棕色化信号诱导产生。例如，噻唑烷二酮类化合物（TZDs）激活甘油激酶(GyK)表达，将甘油磷酸化为TAG的主要骨架甘油3-磷酸(G3P)，从而强有力的刺激甘油掺入TAG。同时，寒冷刺激在小鼠WAT中促进脂解反应，推动脂肪酸生成及其再酯化。此外，瘦素（leptin）治疗能够激活TAG-脂肪酸循环，且据估计约14%瘦素刺激激活的能量消耗由该途径所介导。值得注意的是，这一途径的一个辅助机制是NADH-G3P穿梭活性，这是一种将还原等价物(H⁺，e^-)从细胞质转移到线粒体的机制。由TAG-脂肪酸循环产生的G3P可以被细胞质和线粒体中的G3P脱氢酶依次还原和氧化，使得还原当量被以NADH的形式转移到线粒体呼吸链复合物Ⅲ中。二羟丙酮-3-磷酸(DHAP)在这一过程中充当细胞质中产生的NADH的受体。该过程保证了有氧条件下ATP的快速生成，但其效率低于糖酵解，这是因为来自G3P的还原当量是从复合物Ⅲ的位置进入呼吸链的，这一位置处于呼吸链下游，每个氧原子只产生两个ATP，而若还原当量被转移到复合物Ⅰ中时则能够产生三个ATP。由于BAT线粒体中高度表达G3P脱氢酶，这一途径被认为有助于产热脂肪的能量消耗。与此一致的是，在线粒体G3P脱氢酶全身敲除的小鼠中观察到中度而显著的能量消耗降低，以及去甲肾上腺素刺激下BAT产热减少的现象。然而，有意思的是，UCP1和线粒体G3P脱氢酶同时缺失的小鼠会表现出高于对照组的能量消耗，并伴随腹股沟WAT中米色脂肪生物合成增加和呼吸增加。可见UCP1和线粒体G3P脱氢酶的联合失活似乎诱导了一条可以克服上述产热途径缺失的替代产热途径，究竟是钙循环、肌酸循环，还是其他补偿机制在其中发挥作用，目前尚不清楚。

图4d：脂肪细胞的产热机制。

甘油三酯(TAG)脂解产生甘油和脂肪酸，它们可以再酯化回TAG(TAG-脂肪酸循环)。这一过程涉及甘油激酶(GyK)以ATP依赖的方式将甘油转化为3-磷酸甘油(G3P)。G3P也是NADH-G3P穿梭的关键组成部分，参与G3P和二羟丙酮磷酸(DHAP)的相互转化，以及线粒体快速合成ATP的过程。噻唑烷二酮（TZDs）通过激活GyK、以及冷暴露和饱腹激素瘦素通过促进脂解，都能促进这一循环。AAC，ADP/ATP载体。

有趣的是，线粒体解偶联也可以通过不依赖UCP1的方式被诱导。目前已发现的机制之一涉及SLC25家族的线粒体ATP/ADP转运体SLC25A4和SLC25a5(也称为ANT1和ANT2)，它们能够在N-酰基氨基酸（N-acyl amino acids，如C18：1-Phe苯丙氨酸或Leu亮氨酸）刺激下介导质子流入线粒体基质。N-酰基氨基酸类的代谢物由含有M20结构域肽酶1(PM20D1)产生，PM20D1是一种由棕色和米色脂肪分泌的酶，能催化脂肪酸和氨基酸聚合成N-酰基氨基酸。因此，N-酰基氨基酸是一种内源性线粒体解偶联剂。因此，干扰线粒体呼吸效率的不同途径和机制可能有助于产热。

我们已经了解了关于脂肪君的“大众面孔”——产热

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在产热以外的代谢功能

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