脂肪細胞的分化及調控

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摘要：越來越多的研究結果表明脂肪組織不僅僅是被動的能量儲存器官,而且是能夠分泌多種激素類物質的內分泌器官;脂肪細胞分化及其調控失常與人類多種疾病如肥胖症、糖尿病、脂肪肝、高脂血症及乳腺癌等密切相關。對脂肪細胞分化機制及其調控的研究,不但對於探討上述重大生命和疾病過程具有重要理論意義,而且對於上述疾病的預防與治療,特別是對於在細胞和分子水平上篩選針對上述疾病的藥物,也具有實際意義。本文從脂肪細胞的起源、前脂肪細胞向脂肪細胞的分化過程、脂肪細胞分化的調控,以及對脂肪細胞分化研究應注意的問題等進行了綜述,以期對脂肪細胞分化及其調控進行全面總結。

關鍵詞：脂肪細胞;分化;調控

AbstractFat tissue and adipocytes have beenexclusively investigated in thepast two decades, especial y in thelast ten years, due to the following tworeasons. Firstly, more andmore studies showed that fat tissue is not only anorgan for energystorage, but also an endocrine one that can secret many kindsofhormones or hormone like peptides. Secondly, the establishedpreadipocytecell lines have been providing powerful tools for thein vitro research ofadipocyte differentiation, because theseimmortal cell lines authenticallyrepresent, to a great extend, thein vivo situations of these cells and can beinduced todifferentiate into mature adipose cells with proper hormones. Ithasbeen demonstrated that there exists close relations betweenadipocyte differentiationand many physiological or pathologicalprocesses including saccharide and fatmetabolism, energy balance,obesity, diabetes, hyperlipidemia and breastcancer. It is veryimportant to make known the differentiation mechanismsofpreadipocyte into adipocyte for understanding the above mentioneddiseases andfor screening anti obesity and anti diabetes drugs.

Key wordsAdipocyte;Differentiation;Regulation

脂肪組織和脂肪細胞是近二十年特別是近十年人們廣泛探索的領域之一。這主要有兩個原因:首先,越來越多的研究結果表明脂肪組織不僅僅是動的能量儲存器官,而是能分泌多種激素類物質內分泌器官;其次,上世紀七八十年代以來相繼建立起來的在合適激素誘導下可以分化成脂肪細的永生化成纖維細胞系,為體外研究脂肪細胞分化提供了有效工具,因為這些永生化的前脂肪細胞在很大程度上真實代表了這類細胞在體內的情。目前已經證明脂肪細胞分化與糖及脂肪代謝、機體能量平衡、與肥胖症、與II型糖尿病、與脂肪和高脂血症及乳腺癌等有非常密切的關係。對脂細胞分化機制及其調控的研究,不但對於探討上重大生命和疾病過程具有重要理論意義,而且對於上述疾病的預防與治療,特別是對於在細胞和分子水平上篩選針對上述疾病的藥物,也具有實際意義。

一、脂肪細胞的起源

脂肪細胞在體內從什麼組織分化而來、從什麼時間開始出現,至今還知之不多。1979年Taylor和Jones等用多潛能幹細胞誘導分化出了肌肉、軟骨和脂肪細胞;1997年Dani等將胚胎幹細胞(embryonicstemcell, EScell)誘導分化成前脂肪細胞;1999年Pittenger等用骨髓衍生的基質細胞誘導生成骨骼細胞和脂肪細胞。上述結果表明胚胎幹細胞或多潛能幹細胞可能是脂肪細胞的直接來源。

二、脂肪細胞的分化

人和動物的脂肪組織大約三分之一是脂肪細,其餘的三分之二是微血管、神經組織、成纖維細和處於各種不同分化階段的前脂肪細胞,所以從生態學上對成纖維細胞和前脂肪細胞做出區別,或對處於各種不同分化階段的前脂肪細胞做出區別比較困難。近二十多年來對脂肪細胞增殖分化及調控方面的研究主要使用體外分化系統。最常用的有種體外培養系統,即前脂肪細胞系(preadiposecellline)和原代前脂肪細胞(primarypreadipocyte)。現在經建立起來的最有代表性的兩個前脂肪細胞系是小鼠胚胎的Swiss3T3細胞中誘導分化出來的,即T3-F442A和3T3-L1小鼠前脂肪細胞系,二者都能異性地分化成脂肪細胞。經過多年努力,最近界上第一個人的前脂肪細胞系已經建立起來,這是一個從嬰兒皮下脂肪組織的血管基底細胞經過特定誘導條件建立起來,在一定的誘導分化條件下,此細胞系的95%的胞都可以分化成成熟的脂肪細胞。除了用上述前脂肪細胞系進行體外增殖分化研究以外,也可以用原代培養的前脂肪細胞進行類似的研究。但是使用原代培養的前脂肪細胞有幾個明顯的缺點:第一,將脂肪細胞從各種成纖維細胞中分離出來比較困;第二,脂肪組織中前脂肪細胞的含量較少,要得足夠的前脂肪細胞需要大量的脂肪組織;第三,原培養的前脂肪細胞在體外培養的時間較短,一般超過7~8代。但使用原代前脂肪細胞也有優勢:第一,原代前脂肪細胞是二倍體,能夠比非整倍體的細胞更真實地反映體內環境;第二,可以根據不同研究的需要,從不同物種、不同性別、不同年齡的不同位獲得前脂肪細胞進行體外培養,更具有真實性針對性。

前脂肪細胞系和原代前脂肪細胞具有分化成成的脂肪細胞的能力。待分化的細胞具有一切正常細胞所具有的包括生長和有絲分裂在內的細胞周期,而開始進入分化的前提就是退出此細胞周期。般將待分化的細胞退出細胞周期的現象稱為生長制(growtharrest),脂肪細胞分化也是以生長抑製為前提條件的。生長抑制之前,前脂肪細胞一般歷一個細胞匯合(confluence)的階段,但這種細胞接觸並不是脂肪細胞分化的先決條件,比如在無血清培養基中培養的密度較低的鼠原代前脂肪細胞缺少細胞間接觸的條件下也能分化。一般認為,脂肪細胞分化前的生長抑制發生於細胞周期的G1期,這時的細胞不但停止生長而且失去了對促有絲分裂介質的反應,稱為Gd期。另外,還存在由於缺少生長因子而引起的生長抑制(Gs)和由於缺少營養而引起的生長抑制(Gn),這兩種生長抑制也都發生於G1期,但只有抑制於Gd期的細胞能在缺少DNA合成的情況下獲得分化表型和能在甲基異丁基黃嘌呤(MIBX)的誘導下增殖,而這兩個特徵是處於Gs和Gn期的細胞所不具備的。

生長抑制之後,前脂肪細胞在合適的促有絲分裂和促脂肪生成信號(主要是激素類)的作用下,經過至少一輪的DNA複製和細胞加倍(celldoubling),進入一種無性增殖階段,此過程可稱為無性擴增(clonalexpansion)。最近的研究進一步證明無性擴增是3T3-L1前脂肪細胞向成熟脂肪細胞分化的必要前提。無性擴增的意義在於細胞通過增殖而為快速分化打下基礎。對3T3-F442A小鼠前脂肪細胞系進行體外培養發現,在培養基中原來都相互分散的細胞,培養一段時間以後有一些就通過增殖而形成了細胞簇,每個細胞簇一般有4~12個細胞,而另外一些則仍然以單個細胞存在。細胞簇中的細胞大多數都積累了脂肪,而單個存在的細胞一般都沒有脂肪生成。但來源於人脂肪組織的原代前脂肪細胞的表現有所不同,比如對此細胞的有絲分裂進行抑制並不能影響其向脂肪細胞的分化。這種現象說明無性擴增可能並不是脂肪細胞分化的不可缺少的步驟,至少可以說此步驟對細胞分化的重要性並不是對所有來源的脂肪細胞都是一樣的。

經歷(或不經歷)無性擴增的前脂肪細胞開始表現出脂肪細胞的某些特徵,這個階段可看成是分化的早期階段。此時都發生了哪些事件以及這些事件的確切順序,現在還不很清楚;此外對脂肪細胞分化的研究都是在體外進行的,因此細胞分化的模式也受到材料來源、培養基、培養條件等的影響。Ailhaud等認為脂蛋白脂酶(LPL)的表達是脂肪細胞分化的早期標記,LPL的表達預示著脂肪積累的開始。但LPL的表達是在細胞匯合時自然發生的,不受脂肪細胞分化所必需的各種介質是否存在的影響;LPL的表達也不是脂肪細胞所特有的,其它類型的間質細胞如心肌細胞和巨噬細胞也能合成和分泌LPL。以上現象說明LPL只能作為脂肪細胞分化的一個早期參考性標記,而不能作為特異性標記。目前比較普遍接受的是過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisomeproliferator activatedreceptors, PPARs)和CCTTA增強子結合蛋白(CCTTAenhancerbinding protein,C/EBP)可以作為脂肪細胞分化的早期標記。者中的主要異構體是脂肪細胞和脂肪組織所特有,它們在前脂肪細胞中就能檢測到,在加入誘導分化的激素或介質之後表達迅速增加,在成熟的脂肪胞中達到最高水平。細胞骨架成分和細胞外質成分種類和水平也伴隨著脂肪細胞分化的早期段而變化,例如在脂肪細胞分化的早期檢測到肌蛋白和微管蛋白表達減少。隨著分化的進行,細胞形狀也從成纖維細胞形狀逐漸變成近圓形和圓形。現在認為細胞形態的變化是分化過程中必須經的一步,而不僅僅是脂類積累的結果。比如,設法斷脂肪酸的合成,使脂類積累不能實現,仍可以觀到3T3-L1前脂肪細胞經歷形態學上的變化,因此細胞形態的變化也是脂肪細胞分化的早期標記之。脂肪細胞分化的早期還有其他一些可能的標,如膠原蛋白表達水平的變化,前脂肪細胞因子pref-1)的表達變化等。

在脂肪細胞分化的晚期階段,培養基中的脂肪細胞數量顯著增加,脂肪積累的速度顯著加快,也獲了對胰島素等激素的敏感性。這時最主要的標誌和三醯基甘油代謝關係密切的酶的活性顯著增,可檢測到增加10~100倍。這些酶包括:ATP檸檬酸裂解酶(ATPcitrate lyase)、乙醯輔酶A羧化酶acetyle-CoA carboxylase, ACC)、脂肪酸合成酶(fattyacid synthase, FAS)、3磷酸甘油醛脫氫酶(glycerol 3hosphate dehydrogenase,GPDH)等。此時的其它變化有:葡萄糖運轉蛋白和胰島素受體數目增加;瘦素（leptin)開始合成;某些脂肪組織特有的產物開始合或加速合成,這些物質主要有:脂肪酸結合蛋白aP2)、脂肪酸運轉蛋白(FAT/CD36)、脂被蛋白(perilipin)、monobutyrin(一種血管生成介質),以及幾種血管緊張素肽原等。

超越脂肪細胞分化特定階段的細胞必定會進入后的最終分化;一旦進入最終分化,則既不能去分,也不能重新進入有絲分裂。因此,失去增殖能力脂肪細胞進入最終分化的標誌。

三、脂肪細胞分化調控

細胞分化的本質是基因表達模式的轉變。伴隨脂肪生成而發生的細胞脂肪積累和形態學上的改等是由於細胞在分化中特定基因的誘導表達所。從這個意義上來說,轉錄因子的表達和活性決定了分化過程。對培養的前脂肪細胞系和成纖細胞系的研究獲得了很多有關促進脂肪生成和脂肪細胞分化的轉錄因子的數據,用轉基因和基因敲除技術對所建立的細胞模型進行體內研究也取得了一些有意義的結果。目前已鑒定出的對脂肪生成和脂肪細胞分化有直接影響的轉錄因子主要有三種,即:PPAR、C/EBPs和ADD1/SREBP1。

(一)PPARY PPARY是核激素受體超家族中的一員,為過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisomeproliferator activatedreceptor)。和這類轉錄因子中的很多成員一樣,PPAR必須與其他核激素受體形成二聚體並與DNA結合才能表現出轉錄活性。PPAR有兩種異構體,即PPAR1和PPAR 2。PPAR 2在N末端比PPAR1多30個氨基酸,是對脂肪細胞分化具有決定性作用的一個異構體,僅限於在脂肪組織中表達。PPAR1在脂肪組織中的濃度較低,並且在很多其他類型的細胞和組織中也存在,如巨噬細胞、II型肺炎細胞、結腸上皮細胞,以及膀胱、乳腺和前列腺組織等。PPAR被激活之後,細胞表現出很多相應的生理效應,如形態學變化、脂肪積累以及獲得對胰島素的敏感性等。臨床上用PPAR激動劑來處理脂肪瘤,發現此起源於脂肪的惡性組織獲得很強的分化能力。這種結果是否意味著可以改善此類患者的癥狀是目前臨床研究的一個熱點。最近進行的脂肪生成功能缺失實驗證明,在促進脂肪細胞分化方面,PPAR既是必需的也是充分的。Rosen等用ES細胞途徑證明了PPAR對脂肪細胞在體內和體外的分化都是必需的。他們用野生型ES細胞和純合缺失ES細胞獲得嵌合小鼠。PPAR基因純合缺失小鼠在胚胎髮育的10天左右死亡,10天以內的小鼠胚胎還沒有形成可檢測到的脂肪;而正常的小鼠10天以內的胚胎已經可以檢測到脂肪的存在。在體外,PPAR基因純合缺失的ES細胞能分化多種組織,但唯獨不能分化成脂肪組織。上述結果充分證明PPAR是體內和體外脂肪生成所必需的。

最近利用PPAR在藥理學上的抑製劑進行的研究對上述遺傳學研究結果給予了補充。Wright等證明由PPAR激動劑誘導的或由有關激素誘導的脂肪生成作用可以被PPAR拮抗劑所抑制。Barroso等最近在一些嚴重胰島素抵抗患者體內發現了PPAR雜合突變體。這些患者的突變等位基因在體外表達時也表現為雜合活性。有趣的是這些患者的體脂含量正常,這表明人體維持脂肪生成和維持胰島素敏感性所需要的PPAR量是不同的。

(二)C/EBPsC/EBPs是另一類脂肪細胞分化的轉錄調節因子,為CCTTA增強子結合蛋白生理科學進展2004年第35卷第1期9CCAATenhancerbindingprotein),主要有3種同分異體,即C/EBP、C/EBP和C/EBP!。C/EBPs家族分佈不僅僅局限於脂肪組織和脂肪細胞,其功能不僅僅涉及脂肪細胞分化,它們還和粒細胞及肝胞的最終分化有關。C/EBP和C/EBP!在脂肪成中的作用是通過轉基因的方法證明的。Yeh證明,不需要激素誘導,C/EBP的外源性表達（ectopicexpression)就足以使3T 3-L1前脂肪細胞向脂肪細胞分化,而C/EBP!的外源性表達可以加速脂肪積累。Tanaka等證明缺少C/EBP和C/EBP!者之一的胚胎成纖維細胞的脂肪生成潛力基本正,但當二者同時缺少時,分化成脂肪細胞的過程被重阻斷。體內實驗也取得了類似的結果。敲除/EBP和C/EBP!二者之一的小鼠具有正常的白脂肪組織,但棕色脂肪組織中脂肪積累表現遲緩;時敲除C/EBP和C/EBP!的小鼠,85%的個體在產期不明原因死亡,存活的15%棕色脂肪組織量減,而白色脂肪組織的量減少較少。體外培養的開始分化的前脂肪細胞系,在分化的早期出現的C/EBP和C/EBP!的瞬時表達,而C/EBP是在化的較晚期階段才表達的;C/EBP一旦表達,隨有大量的脂肪細胞分化的特異基因開始表達。/EBP的過表達可以加速3T3-L1前脂肪細胞向成脂肪細胞的分化,而該基因反義RNA的表達則可阻斷此分化過程。C/EBP基因純合缺失的動物色脂肪組織和棕色脂肪組織都急劇減少。這些結果表明C/EBP可能和脂肪生成有著更直接的關。Prusty等還證明在脂肪生成的早期激活MEK/RK信號途徑可以促進C/EBP和PPAR等轉錄因的表達,從而促進脂肪細胞分化。

C/EBPs家族除上述3個成員外,還有C/EBP?。脂肪細胞的分化過程中C/EBP?的表達受到抑制,而當分化接近結束時C/EBP?的表達又被重新誘導。C/EBP?作為該家族的一個成員,其本身不能與DNA結合,但可以與C/EBPs的其他成員結合成聚體,從而抑制被其結合的這些成員的活性。C/EBPs的含量可以在很多水平上調節,包括轉錄水、轉錄后水平和翻譯水平。

(三)ADD1/SREBP1脂肪細胞決定與分化因子(ADD1)屬於基礎螺旋-線圈-螺旋(basichelixloophelix)轉錄因子家族的一個成員,此轉錄因子家調節特異組織中的基因表達,特別是起源於中胚的脂肪組織和肌肉組織。此因子最優先在棕色脂肪組織中表達,其次是肝、白色脂肪組織和腎。ADD1又稱為甾醇調節元件結合蛋白1(sterolregulatory element binding protein1,SREBP1)。Kim等發現誘導培養的前脂肪細胞系向脂肪細胞分化時,編碼此蛋白的mRNA水平急劇升高;在誘導分化的激素存在時,3T3-L1細胞中ADD1/SREBP1的過表達可導致脂肪細胞標誌物表達量的提高和脂肪的大量積累。ADD1/SREBP1影響脂肪生成的機制還不是很清楚,但種種跡象表明與PPAR有關。ADD1/SREBP1和PPAR共表達可顯著提高系統的轉錄活性,而ADD1/SREBP1的單獨表達則效果很小。二者的關係可能是ADD1/SREBP1的表達產生了某些能提高PPAR活性的因子。Kim等的實驗結果也支持這一觀點:ADD1/SREBP1基因雜合能導致脂肪細胞分化的阻斷,而加入PPAR配體TZD後分化完全恢復。這些結果表明ADD1/SREBP1是通過影響內源性PPAR配體的生產而對脂肪細胞分化產生作用的。Fajas等最近提出PPAR本身就是ADD1/SREBP1作用的一個靶基因。已經比較肯定的是ADD1/SREBP1在體內可以調節很多和脂肪生成有關的基因的表達,如LPL、FAS、磷酸甘油醯基轉移酶(GPAF)等。綜上所述可以將各轉錄因子與脂肪細胞分化的關係總結如圖1。圖1脂肪生成過程中各轉錄因子的功能及相互關係(箭頭表示有激活或促進表達作用)除上述幾個轉錄水平上的調節因子以外,影響脂肪生成和脂肪細胞分化的因子很多,如生長激素(GH)、胰島素、類胰島素生長因子1(IGF1)、糖皮質激素(glucocorticoid)、前列腺素(PG)、腫瘤壞死因子(TNF)、表皮生長因子(EGF)、轉化生長因子10生理科學進展2004年第35卷第1期TGF)、血小板衍生生長因子(PDGF)、鹼性成纖維細胞生長因子(BFGF)、瘦素、視黃酸(RA)、三典甲腺原氨酸(triiodothyronine)、環腺苷酸(cAMP)、甲基異丁基黃嘌呤等。這些影響有促進分化的,也有抑制化的;有直接作用,也有間接作用;可以單獨作用,可以協同作用。總之,它們對脂肪生成和脂肪細分化的影響很複雜,對其機制的闡明也需要一個期的過程。

四、脂肪細胞分化研究中存在的問題

利用前脂肪細胞系開展的研究對脂肪細胞分化調控有了很多認識,但應該注意到的是以前脂肪胞係為模型進行的相關研究也有一些缺點:細胞非整倍體狀態可能會影響細胞的分化競爭能力;體外培養的前脂肪細胞系失去了其體內的固有環;體內不同部位的脂肪細胞表現出各不相同的生理特點,而體外培養的前脂肪細胞系不能反映出這差異;在體內白色脂肪組織存在於很多部位,如臟器周圍(perigonadal)、網膜(omental)、腹膜(retroperitoneal)以及皮下(subcutaneous)等,從身體不同部位離出的前脂肪細胞其分化成脂肪細胞的能力各不同;體內不同部位的成熟脂肪細胞的代謝行為也不相同,比如,內臟脂肪和皮下脂肪對腎上腺素刺的脂肪分解的反應就不一樣。脂肪細胞表現行為位置差異具有極大的臨床意義:內臟脂肪含量升的成人(主要為男性)往往比體重較重但主要是皮脂肪較多者具有更高的患胰島素抵抗、高脂血症心血管疾病等的危險性。當然,儘管應用前脂肪胞系研究脂肪生成和脂肪細胞分化有上述種種限,與其它細胞類型比較,它還是相對更能代表其在內的真實情況,因此到目前為止是不可代替的用研究脂肪生成、脂肪細胞分化、肥胖及II型糖尿的發生機制的有力工具。另一個應該引起關注的問題是,上述細胞系都只能分化成白色脂肪組織,而哺乳類動物還有另類脂肪細胞即棕色脂肪細胞,其主要功能是消耗量而不是儲存能量。棕色脂肪組織對能量的消耗由一種叫做解鏈蛋白1(UCP1)的脂肪組織特異蛋白質參與完成的,其機制是通過解除呼吸鏈中電子傳遞而建立起來的跨膜質子梯度而釋放能。從生理上講,棕色脂肪組織的功能是適應寒冷防止肥胖。體外培養的棕色脂肪細胞模型也是有,但這些細胞不像白色脂肪細胞模型那樣比較真地代表其在體內的生理狀況,因此對棕色脂肪的究也比較滯后。加強對棕色脂肪組織和棕色脂肪細胞的研究,對於全面理解人及動物的脂肪細胞及其功能,脂肪細胞分化機制及其調控,將具有重要意義。

參考文獻【略】

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