棕色脂肪功能特性对肉品品质的影响

张 敏，苏日娜，黄 欢，靳 烨，苏 琳，赵丽华，郭月英

中国自1990年起成为世界第一产肉大国，根据2018年国家统计局发布的国民经济和社会发展统计公报显示猪、牛、羊、禽肉产量达8 517 万吨，如何改善肉品品质、优化畜禽育种成为人们关注的焦点。脂肪是动物机体重要组成部分，胴体中脂肪含量的高低和脂肪酸组成差异与肉类食品的感官品质、营养价值及加工特性等密切相关[1]。

脂肪组织的分类有3 种：白色脂肪组织（White adipose tissue，WAT）、棕色脂肪组织（Brown adipose tissue，BAT）和米色脂肪组织（Beige），近年来BAT 因具有促进糖脂分解、热原生成和氧化代谢等改善机体能量平衡的功能而成为研究热点[2-3]。BAT 是高度血管化组织，受交感神经控制，其产热依赖于解偶联蛋白UCP1，通过消除线粒体膜内外的电子梯度差，阻止ATP 的生成，加速氧化呼吸使葡萄糖和脂肪分解产生的能量转化为热量达到能量平衡的目的。BAT 的非战栗性产热功能可以帮助幼期哺乳动物抵抗寒冷的恶劣环境，提高存活率；还可以通过能量代谢对动物机体的生长发育产生重要影响；其内分泌和旁分泌作用也可改善机体的代谢状况[4]。

研究证明由BAT 参与的能量代谢对畜肉的肌内脂肪含量及风味口感等都有影响，通过调控影响BAT 含量的因素可以调节脂肪和肌肉的分化及比例且BAT 中含有较WAT 更多的对人体有益的多不饱和脂肪酸[5-6]。本文主要对BAT 的功能特性及其影响因素进行综述并探讨其对肉品品质的影响，为调控畜禽的生长代谢过程及提高畜肉品质提供新研究方向。

1 棕色脂肪及“棕色样”脂肪细胞

棕色脂肪细胞内因富含大量血红蛋白和血红素卟啉而呈棕色，其细胞结构不同于WAT，是多腔小脂滴结构，有大量线粒体以及UCP1，主要分布于颈部、锁骨、纵膈、肩胛和脊椎两侧。通常WAT 与BAT 不是完全独立存在的，在WAT 中会穿插一些棕色脂肪细胞，在经典的BAT 中也发现有白色脂肪细胞。解剖小鼠发现肩胛棕色脂肪外周有一层WAT，通过组织学切片观察BAT 与WAT 并没有明显界限，脂肪组织由棕色逐渐退化为白色[7]。研究人员发现在寒冷环境或β 肾上腺素能受体激动剂的长期刺激下，白色脂肪中会出现一种“棕色样”脂肪细胞，即米色脂肪，诱导后其细胞内线粒体数量增加，UCP1 水平增加并且产热，此诱导转化为棕色脂肪细胞表型的过程称为白色脂肪棕色化[8]。

解偶联蛋白（UCPs）是分布于线粒体内膜上的一类产热蛋白，有5 种分型，其中UCP1 是唯一在棕色脂肪和米色脂肪中表达的解偶联蛋白质，但这两者最显著的区别是BAT 在非刺激条件下也可以表达相对较高的UCP1，而米色脂肪需要依赖外界刺激诱导表达UCP1。通过了解表达UCP1 脂肪细胞的来源可以更好地分析棕色及米色脂肪调控途径。

1.1 棕色脂肪细胞（BAT）

大多数棕色脂肪细胞起源于胚胎中胚层的前体细胞，这些前体细胞也产生骨骼肌细胞和白色脂肪细胞亚群并在短期内表达Myf5 和Pax7，因此棕色脂肪与肌肉的发育途径相同，棕色脂肪前体细胞表达与肌肉相似的基因且具有相同的线粒体相关蛋白[9-11]。骨骼肌中也可检测到棕色脂肪前体细胞，在棕色脂肪前体细胞的体外培养中也发现了肌肉特异miRNA[12-13]。经典棕色脂肪的标记基因包括Zic1、Lhx8、Eva1、Pdk4 和Epsti1，根据这些基因可判断已成熟的脂肪细胞是否是经典BAT[14]。BAT 在胚胎生长过程中优先于其它脂肪组织发育，并含有均匀单一的细胞群，以此提供热源避免新生儿遭受寒冷暴露；但在成人BAT 内具有多种细胞类型，包括UCP1+和UCP1-脂肪细胞[15]。

1.2 米色脂肪细胞（Beige）

米色脂肪细胞的来源一直存在争议。研究发现只在WAT 中存在调控UCP1 激活的基因程序，这也是最早为证明米色脂肪与典型棕色脂肪可能来自不同谱系提供的证据。起初米色脂肪最初被认为与白色脂肪具有相同的来源：Myf5 阴性细胞，在特定的刺激条件下，大量单室的白色脂肪细胞形态逐渐向棕色样细胞转化，细胞直径变小呈多房室且线粒体数量增加，表达其不同于白色脂肪特有的基因和标记物：CD137、Tbx1、Tmem26、Cited1 和Shox2，体现出棕色细胞的功能特性[14，16]。Long 等[17]发现一些Beige 起源于平滑肌/平滑肌样细胞并表达多种平滑肌标记物。此类脂肪组织的组成成分不稳定，会随着发育过程或环境温度的变化而改变，在小鼠出生第1 周的腹膜脂肪中，外观呈现典型的WAT 完全转化为BAT，之后又变为WAT[18]。因此，当刺激因素消除后，Beige 的“棕色样” 功能特征会消失，形态学及分子特征趋于WAT。之后Wang 等[19]使用脉冲追踪细胞图谱技术对小鼠进行研究发现大部分Beige 来自于前体细胞而不是已经存在的成熟的脂肪细胞。在脂肪正常生成过程中，Beige 和WAT 的前体细胞都分化为脂质型脂肪细胞且缺乏产热特性，但只有Beige可由β-肾上腺素受体激动剂诱导细胞内的产热基因程序。Wu 等[20]从皮下腹股沟处WAT 克隆脂肪前体细胞系，从WAT 脂肪库中分离出Beige 并发现其具有与WAT 和BAT 不同的基因表达模式，并对鸢尾素有优先敏感性。因此Beige 的来源与机体的位置、环境状态和年龄都密切相关，后续应就脂肪组织活体检测展开研究，更加准确地判断Beige 的来源和激活原因[21]。

2 棕色脂肪与能量代谢

2.1 棕色脂肪功能特性

棕色脂肪可以调节体重，其活性降低会导致机体肥胖、胰岛素抵抗及代谢性疾病[21]。BAT 生理功能可以有效调节机体能量平衡：一是作为寒冷或过度喂养后加速机体化学能消耗的器官；二是BAT 的内分泌作用改善代谢平衡。

2.1.1 化学能消耗 适应性产热是BAT 最初被发现的功能特性，包括冷诱导生热（CIT）和饮食诱导生热（DIT），在啮齿动物中，这两种产热都是由BAT 调控的，通过UCP1 的解偶联作用以及丰富的线粒体，将能量直接转化为热能，以热量耗散至环境的形式消耗能量[22]。这种由UCP1 介导的线粒体氧化呼吸产热的过程是以葡萄糖和脂肪酸作为燃料，在预防肥胖、糖尿病和血脂异常等方面发挥着重要作用。磷脂酶A2（phospholipase A2，Pla2）在线粒体内膜产生的长链脂肪酸可直接与UCP1结合，这是质子转运的必要条件[23]。BAT 遍布密集的毛细血管，以此保证充足的氧气和基质供应，并有一条较大静脉将局部产生的热量迅速输送至机体各个部位，当热发生被激活时，通过肩胛间棕色脂肪组织的血液流量会迅速增加到之前的10 倍以上，并会结合机体内所有的棕色脂肪一起进行产热作用[24]。在热适应和冷适应过程中，BAT 可以贡献接近机体50%的总耗氧量，血流研究表示约60%冷诱导的热发生是由BAT 产热机制造成的[25]。肩胛区域的BAT 直接受交感神经支配，在冷暴露时，热感受器将热传导信号传至大脑，随后外周血管收缩传递信号，通过静脉曲张释放去甲肾上腺素，几乎可作用至每一个细胞激活BAT 的非战栗性产热[26-27]。而米色脂肪的功能是介于WAT和BAT 之间的，在基础情况下，Beige 的功能及形态都类似于WAT，只有很少部分会表现出“解偶联”作用；当机体受到刺激时，体内WAT 转化为Beige，相比BAT 的产热作用，它具有与激活状态下BAT 相同的产热效果或更高水平的UCP1 表达量和耗氧量[15，28]。

2.1.2 糖脂代谢 BAT 和Beige 对葡萄糖、脂蛋白和脂肪酸以及其它代谢物都起着主要的“代谢脂肪库”的作用[29]。机体BAT 的葡萄糖摄取活动与系统葡萄糖稳态和胰岛素敏感性的改善有关，因此在BAT 的糖脂代谢作用被应用于Ⅱ型糖尿病和胰岛素敏感性的领域[30-31]。Bartelt 等[29]发现冷暴露大大增加了血浆中甘油三酯的清除，主要是由于BAT 摄取量增加，脂肪酸有效地导入BAT 中，并依赖于局部LPL 活性以及跨膜受体CD36 作用。这表明BAT 或Beige 可以通过一种特有且高效的代谢程序进行脂肪代谢，迅速消除体内甘油三酯。全身脂肪质量的减少时常伴随着胰岛素抵抗的改善，但有时这二者的变化程度也不同步。Seale 等[32]在转基因肥胖小鼠中发现BAT 重要转录因子PRDM16 表达导致脂肪总质量显著减少，与此同时胰岛素抵抗有小部分改善，葡萄糖耐量大幅度提升。这表明BAT 和Beige 降糖作用不只是通过改善胰岛素敏感性机制增加全身的葡萄糖耐量，还可能通过一些尚未发现的机制。小鼠UCP1 基因敲除后也并没有引起葡萄糖摄取下降，说明BAT 的产热功能与葡萄糖代谢不是同一路径[33]。Tews 等[34]发现升高机体内UCP1 水平可以通过糖酵解机制增加WAT 的葡萄糖代谢能力，不需要肾上腺素能参与WAT 棕色化的复杂调控网络，并且不会对细胞产生任何不利影响。这为调控机体糖酵解途径改善葡萄糖代谢提供了新思路。

2.1.3 内分泌作用 BAT 释放的细胞因子可作用于分泌棕色脂肪细胞（自分泌作用），或作用于附近的其它细胞类型（旁分泌作用）来调节能量平衡。甲状腺激素三碘甲状腺氨酸（T3），是BAT 唯一已知的经典内分泌产物，向外围发送此信号可加速能量消耗和产热，增加耗氧量，促使体内的能源物质即糖类、蛋白质和脂肪的氧化分解以及WAT棕色化效应[35]。1985年，基于示踪的动力学研究显示，在BAT 处于高活性状态时，机体全身的T3主要生成位置集中在BAT[36]。成纤维细胞生长因子21（fibroblast growth factor 21，FGF21）在基础情况下是由肝脏、骨骼肌、胰腺分泌的一种内源性调节机体代谢的因子，但在冷诱导或运动等刺激下BAT 显著表达并比肝脏释放更多的FGF21，以此来增加热生成和能量消耗，FGF21 调控热生成通过UCP1 独立和UCP1 依赖双途径，还可以诱导MAPK、EKA 途径的鸢尾素效应促进成熟的白色脂肪细胞棕色化[37]。视黄醇结合蛋白4（RBP4）是一种运输视黄醇的血液蛋白质，最初被报道为WAT 的脂肪因子，后发现BAT 的热激活程序与BAT 中RBP4 表达及诱导有关，被去甲肾上腺素激活的BAT 会释放大量的RBP4[38]。因此，BAT 激活全身胰岛素敏感性可能也与RBP4 的视黄醇转运作用以及产热过程中BAT 脂解作用有关[39]。

2.2 BAT 及Beige 激活条件

2.2.1 冷暴露 寒冷暴露是最常见的诱导BAT和Beige 发育和激活的经典途径。患肥胖和易发Ⅱ型糖尿病的C57BL/6J 小鼠的冷驯化试验发现寒冷诱导BAT 细胞增多，而WAT 细胞几乎等量减少；但在脂肪细胞总数、凋亡或有丝分裂等方面无明显差异，这也为冷暴露促使WAT 细胞转化为BAT 细胞的假设提供证据[40]。利用18F-FDG-PET/CT 扫描成人受试者发现，长期冷暴露可以增加BAT 的活性，即使在本身BAT 含量很少的受试者中亦是如此。冷暴露时，交感神经或活化的巨噬细胞会释放去甲肾上腺素和儿茶酚胺激活BAT 和Beige 产热程序并促进WAT 分解，与此同时转录调控因子如PGC-1α、CRFB 和ATF2 等磷酸化能力增强来诱导UCP1 转录进行解偶联作用，在成人中检测到寒冷可以增加鸢尾素循环来激活Beige 的发育[41-42]。但此途径调控下的米色脂肪与WAT 可以相互转化，Rosenwald 等[43]发现已在冷诱导下形成米色脂肪的小鼠在处于温暖环境5 周后发生逆转，米色脂肪细胞向WAT 表型转化并表达相应WAT 特异性基因。

2.2.2 运动 之前认为运动训练主要归因于骨骼肌适应的影响改善全身葡萄糖的稳态；然而运动也会影响其它组织，例如脂肪组织。已有不少研究证明运动促使WAT 棕色化，BAT 产热活性增加，线粒体生物发生增加，降低动物体重并改善糖脂代谢。运动时骨骼肌会释放一些细胞因子：鸢尾素、β-氨基异丁酸（BAIBA）和镍纹样蛋白（meteorin-like protein，Metrnl），作用于WAT 并刺激交感神经系统促进UCP1 表达及BAT 和Beige 的发育。Xu 等[44]发现正常饲喂小鼠与高脂饮食小鼠在进行8 周的跑台运动后都会促使棕色前体细胞更多向棕色细胞分化，且会上调WAT 与BAT 中关于棕色脂肪特异性基因表达。但Wu 等[45]发现高脂饮食小鼠进行8 周跑台运动后，运动降低了大鼠肩胛经典BAT 的产热能力并向WAT 转化，相关基因UCP1 与PGC-1α 表达也下降；但皮下WAT有棕色化趋势，包括UCP1、PGC-1α 和FDNC5 表达上调以及棕榈酸酯氧化程度增强，总体增加了全身能量消耗，局部产生的FDNC5 介导运动诱导WAT 棕色化效应；内脏周围WAT 无以上改变。运动诱导的棕色化效应具有部位特异性，增加皮下WAT 棕色化导致其它组织代谢改善，降低了核心的产热能力却加强了身体外围区域的代谢循环[46]。这也可能是由于皮下与内脏WAT 具有不同的细胞分化谱系，来源于不同的脂肪下前体细胞，皮下WAT 比内脏WAT 表达更多与糖脂代谢及葡萄糖稳态相关基因，包括GLUT1、IGF1、PPARγ 和HSL，尤其BAT 分化过程中的重要转录因子PRDM16 也在皮下WAT 中表达[47-48]。

2.2.3 其它因素 增加BAT 活性和白色脂肪棕色化过程是复杂且有多种转录因子参与调控的途径，PPARγ、PRDM16 和PGC-1α 是3 个核心转录因子[49]。除环境和运动刺激外还有诸多其它因素，如γ-氨基丁酸、microRNAs 和各类药物等。这些转录因子和影响因素都在促进棕色脂肪功能特性及机体糖脂代谢，进而为通过糖脂代谢途径改善肉品质提供新思路。

3 BAT 与肉品品质的关系

3.1 棕色脂肪对肌内脂肪的影响

脂肪的沉积与畜禽的肉品质及产肉率高度相关[50]。肌肉纤维之间的脂肪组织通常被称为肌内脂肪（IMF），在牛肉中，IMF 的积累使牛肉呈现大理石花纹，有助于牛肉形成风味和多汁性等优点，是衡量肉品质的关键指标之一。而BAT 及“类棕色” 脂肪的主要功能特性是以热能形式消耗能量分解脂肪，因此在肌内沉积脂肪的调控路径上是不可取的。Wei 等[6]研究发现ZBTB16 作为增加牛肉IMF 白色脂肪沉积的调控基因，其过表达会继续诱导IMF 中白色脂肪呈现棕色化趋势，增加BAT、Beige 相关基因表达以及UCP1 蛋白表达；线粒体生物发生及线粒体拷贝数也显著增加。家畜的脂肪代谢与啮齿动物明显不同，肌内脂肪细胞分化路径也不同于其它脂肪组织[51-52]。因此如何调控不同物种及品种的IMF 沉积一直是肉品质研究的重点课题，增加IMF 沉积并避免其棕色化消耗IMF 途径来改善畜禽肌肉与脂肪的比例为提升肉品质领域提供了新途径。

3.2 棕色脂肪对肉中脂肪酸成分的影响

畜肉的脂肪酸成分及含量一直是影响肉品品质、风味和特殊营养物质的重要因素，其中亚油酸和α-亚油酸都是机体必需脂肪酸[53]。1990年，于果等[54]发现患硬肿症的新生儿BAT 中不饱和脂肪酸高于饱和脂肪酸，尤其亚油酸含量明显高于WAT。Qin 等[5]分离出WAT 与BAT 细胞并诱导其分化培养，发现在脂肪细胞分化积累脂质的过程中，是BAT 细胞而非WAT 细胞合成大脑成长发育的重要物质DHA，支持了BAT 是DHA 净生产者的假设。这在营养价值上体现了BAT 的重要作用，脂肪酸的成分及含量也直接关系到肉品的风味与感官特性，以羊肉为例，随着国家退化草地限牧或禁牧封育政策的实施，饲养模式由之前的放牧改为舍饲育肥，饲料及运动量都大大改变，导致羊肉饱和脂肪酸增加、膻味加重，解决放牧绵羊禁牧舍饲后造成的羊肉品质劣化难题是目前我国羊肉业发展面临的巨大挑战。因此，通过激活BAT或使WAT 棕色化的途径调整羊肉脂肪酸组成，达到提升舍饲羊肉风味及营养价值的目的。

3.3 棕色脂肪对畜禽产肉率的影响

在各类家畜中，猪的胴体脂肪率高瘦肉率低，培育脂肪沉积少以及瘦肉多的猪一直是养猪户的目标[55]。UCP1 在肥胖症发病机制中的参与可能解释了猪体内高水平脂肪沉积的原因，影响着猪肉产量、肉品质、营养价值和生长效率[53]。Zheng 等[56]利用CRISPR/Cas9 基因组编辑技术将UCP1 敲入猪WAT 中，发现UCP1 异位表达在不改变身体活动或每日能量需求的情况下减少了全身脂肪沉积，增加了胴体瘦肉率，提高了仔猪机体御寒能力和成活率，表明了UCP1 在猪育种中提高瘦肉型猪肉生产及抗寒性具有重要潜力。Pan 等[57]发现猪敲入UCP1 后线粒体功能显著增强，腹股沟处WAT 中脂肪生成减少，证明UCP1 在猪脂肪代谢中发挥特殊作用。长期以来，猪的育种计划都集中在减少脂肪沉积和增加瘦肉率的遗传选择上，UCP1 及BAT 为生猪高效生产提供了广阔的前景[55]。

4 展望

目前，棕色脂肪功能特性的研究主要集中在治疗如肥胖、Ⅱ型糖尿病和肌肉萎缩症等代谢性疾病以及增强家畜饲养中御寒能力和提高幼畜成活率等方面，对畜禽生长代谢及肉品品质影响的研究较少。虽然已在BAT 及WAT 棕色化改善肌内脂肪含量、脂肪酸组成及瘦肉率等方面有了一定的认识，但对其影响肉品质的程度和调控机制还没有深入的挖掘，尤其是针对物种及品种间差异，需要结合遗传基因和环境因素，进一步了解各类脂肪组织的发育调控机制和调节能量平衡途径，为改善家畜的生长代谢过程和肉品品质提供重要的理论依据和调控手段。