运动介导miRNAs调控白色脂肪棕色化的研究进展

刘 源

世界卫生组织（WHO）公布的数据显示，2016年全球18岁及以上的成年人中逾19亿人超重，其中超过6.5亿人肥胖，肥胖成年人占全球人口的13%。肥胖症是人们过多地摄入能量，使能量摄入远大于能量消耗，并且，肥胖症与很多慢性疾病息息相关，如：II型糖尿病、高血脂、脂肪肝、心血管疾病等。肥胖问题及其产生的一系列慢性并发症给人们带来了沉重的经济负担，造成生活上的困惑。令人遗憾的是，目前的抗肥胖策略旨在限制能量摄取，且各国没有形成有效应对肥胖的干预机制［1］。近期，许多基础及临床研究已经证实白色脂肪在一定条件下可以向棕色化转变，且体内棕色脂肪的含量和分布与肥胖及其引起的一些慢性疾病有密切关系，体内棕色脂肪越多，肥胖及代谢异常疾病发病的可能性越少，所以，深入研究白色脂肪棕色化的作用机制对促进目标减肥、减少代谢异常疾病的发病率具有重要意义［2－5］。本文从miRNAs对棕色脂肪组织的生成、白色脂肪棕色化的调控作用，以及运动对miRNAs、白色脂肪棕色化的调节作用及其潜在机制做一综述，分析探讨白色脂肪棕色化的研究趋势和应用前景，从而为肥胖症及代谢异常疾病的治疗提供新思路。

1 miRNA

miRNA是在真核生物中发现的一类具有调控功能的内源性非蛋白编码单链小分子RNA，它是由20～25个核苷酸组成，通过完全或不完全碱基互补配对原则与特定靶基因的mRNA的3’或5’UTR区结合，能够抑制mRNA翻译或直接降解其特定mRNA的作用，对调节基因表达过程具有重要作用［6－9］。研究发现，一个miRNA可以同时调控几个基因，一个基因也可以同时受几个miRNAs调控。而且其不仅在细胞的生长、发育、增殖和分化过程中起多种作用，对于机体细胞的棕色化也有非常关键的作用。目前，miRNA对白色脂肪棕色化影响的研究已经成为治疗肥胖问题的新靶点，进一步探索miRNAs在脂肪细胞和脂肪组织中的分子作用，这将揭示促进脂肪细胞能量消耗的新方法，最终可能成为新型抗肥胖治疗剂。

2 棕色脂肪和白色脂肪棕色化

2.1 棕色脂肪

众所周知，人体中有白色脂肪（WAT）和棕色脂肪（BAT）［10］。白色脂肪是能源储存的场所，主要作用是通过甘油三酯的形式储存机体过剩的能量，且能分泌多种脂肪因子调节能量代谢［11－13］。而棕色脂肪呈褐色，其主要作用是加快能量的消耗和释放，相比与白色脂肪，棕色脂肪细胞体积小，含有更多线粒体，并且解偶联蛋白1（uncoupling protein 1，UCP－1）在这些线粒体中高度富集［14，15］。UCP－1将底物氧化与ATP产生解偶联，促进游离脂肪酸代谢，从而产生热量，促进机体的代谢和能量的消耗［16－20］。在啮齿类动物中，棕色脂肪主要位于肩胛间区域，是一种类似于蝴蝶的蝶状组织。在人类中，棕色脂肪主要位于颈部、锁骨以上和纵隔区域［21］。棕色脂肪组织的活性与体重指数呈负相关，帮助人们认识体内棕色脂肪细胞在控制体重方面的生理相关性［22］。

2.2 白色脂肪棕色化

根据大量的研究显示，人体中白色脂肪和棕色脂肪组织是混合分布的，而不是完全隔离的，即白色脂肪中存在着棕色样的脂肪细胞，因为其中棕色样的脂肪细胞很少，白色脂肪占主导地位，所以显示出白色脂肪的生理作用。最新发现，哺乳动物中除了这两种脂肪，还有一种新型的脂肪，被命名为米色脂肪，它是一种静息细胞，分布于白色脂肪组织中，在冷暴露或肾上腺素受体受刺激的情况下，表现出类似于棕色脂肪细胞的特点，米色脂肪被激活后表现出棕色脂肪细胞特点的这一过程，被称作“白色脂肪棕色化”［23－25］。促使人体中的白色脂肪向棕色化转变有利于减少多余的白色脂肪在体内堆积，提高脂肪的利用价值，预防和治疗人们的肥胖症和代谢疾病，促进人体健康［26］。

3 miRNAs对白色脂肪棕色化的影响

miRNAs控制着大部分人类和鼠类基因的表达。多项研究表明，miRNAs对棕色脂肪细胞的分化生成有正反调节两种方式。采用合理的方法，可以调整miRNAs对脂肪细胞的影响，促进白色脂肪棕色化，从而有效干预肥胖。随着研究的推进，越来越多的miRNAs对脂肪的分化以及棕色化的调控作用被发现。下面我们将介绍miR－196a、miR－455、miR－30和miR－26对白色脂肪棕色化的正向调节作用以及miR－155、miR－150、miR－133和miR－129－5p对白色脂肪棕色化的负向调节作用。

3.1 正向调控棕色化的miRNAs

在成年人中发现的功能性棕色脂肪细胞开辟了这些细胞在治疗肥胖及其相关疾病中的途径［27］。有研究显示，miR－196a可以介导棕色脂肪的形成［28］。研究发现miR－196a在白色脂肪祖细胞的棕色脂肪形成过程中抑制了白色脂肪基因Hoxc8在转录后的表达。低温条件下，小鼠皮下白色脂肪棕色化过程中伴随着miR－196a的表达明显升高，miR－196a转基因小鼠与正常对照组的小鼠相比，胰岛素的敏感性提高，血糖明显降低，能够有效地防止高脂饮食引起的肥胖［28］。分析发现，在寒冷刺激下引起的小鼠白色脂肪棕色化过程中，miR－196a的表达明显升高，抑制了Hoxc8的表达，Hoxc8作为一种白色脂肪基因，能够通过抑制C／EBPβ的功能进而诱导棕色脂肪细胞的生成，所以，miR－196a－Hoxc8－C／EBPβ信号通路可能是诱导棕色脂肪形成以对抗肥胖和II型糖尿病治疗的新靶点［28］。

miR－455在寒冷刺激或者骨形态发生蛋白7（Bone morphogenetic protein 7，BMP7）的诱导下可以使棕色脂肪细胞特异性表达，促进棕色脂肪的形成［29］。miR－455在棕色脂肪组织细胞以及白色脂肪前体细胞中过表达都可以促进细胞的分化，增加脂质体的累积，促进多种棕色脂肪特异性基因的表达。相反，miR－455的表达被抑制，则棕色脂肪的生成被抑制。有研究发现，通过高脂饮食诱导的miR－455转基因小鼠的腹内位置出现白色脂肪棕色化，其抵御寒冷和产热的能力增加，体重明显降低。而miR－455敲除的小鼠体内棕色脂肪组织明显减少，同时，miR－455的敲除抑制了过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator－activated receptorγ，PPARγ）、UCP－1以 及PGC－1α（Peroxisome proliferator activated receptorγcoactivator－1α，）的表达。miRNA－455的3个作用靶点包括Runx1t1、Necdin和低氧诱导因子－1α亚基抑制剂（HIF－1αn）。miRNA－455通过HIF－1αn作用，增强AMPKα1的活性，使PGC－1α的表达增强，从而使线粒体合成加速，使脂肪分解的基因表达增强。因此，miR－455对白色脂肪棕色化的形成具有正向调节的作用。

miRNA－30家族的miR－30b和miR－30c能够提高机体的产热能力，对白色脂肪棕色化过程具有促进作用［30］。在寒冷刺激或者肾上腺受体激活状态下，miR－30b／c通过上调产热基因UCP－1和Cidea的表达，增强腹股沟区的白色脂肪基质血管成分产热基因以及棕色脂肪细胞线粒体的呼吸作用，促进棕色脂肪组织的分化。相反地，有实验结果证明了miR－30b／c表达被抑制会导致UCP－1的表达以及棕色脂肪细胞线粒体的呼吸作用下降。miR－30b／c对UCP－1和Cidea的作用是通过靶向作用受体交叉蛋白140（receptor－interacting protein140，RIP140）实现的，RIP140是产热基因UCP－1和Cidea的辅助抑制物［31］。因此，miR－30b／c可以正向调控棕色脂肪，促进白色脂肪棕色化。

miRNA－26家族中的miRNA－26a和miRNA－26b是白色脂肪和米色脂肪分化的关键调节因子［32］。miRNA－26a在棕色脂肪组织中含量丰富，并且通过寒冷刺激后在白色脂肪细胞分化时表达增强。模拟miRNA－26a／b对白色脂肪和米色脂肪的作用，是通过UCP－1、PGC－1α和aP2这三种棕色脂肪特异性基因的表达，进而增加UCP－1阳性细胞实现的。miRNA－26a／b是通过金属钛酶域－17（ADAM17）作用于白色和米色脂肪的形成，它可能是抑制脂肪形成或者抑制棕色化的因子，但目前其作用机制并不明确。所以，明确ADAM17对脂肪合成和棕色化的作用，对ADAM17的上下游进行深入的探究很有必要。

上述可见，miR－196a、miR－455、miR－30和miR－26这四种正向调控棕色化的基因，分别通过Hoxc8、PGC－1α、RIP140以及ADAM17这四种基因的作用途径来促进白色脂肪的棕色化，并且该过程是在寒冷刺激或是肾上腺受体激活状态下发生的。这些miRNAs通过特定靶基因的作用通路来正向调控棕色，是预防和治疗肥胖的新靶点。

3.2 负向调控棕色化的miRNAs

最初的研究揭示了白色脂肪和棕色脂肪细胞中miRNAs的差异表达和棕色脂肪细胞中肌肉特异性miRNAs的表达［33］。Chen等［34］人鉴定了miR－155是妨碍白色脂肪棕色化的负调节因子。最近的一项研究发现，miR－155参与棕色脂肪形成［35，36］。使用深度测序，研究确定了在棕色脂肪形成过程中差异表达的miRNAs，在这些miRNA中，miR－155具有特别重要的意义，因为它有效地抑制了棕色脂肪的生成。研究显示miRNA－155富含棕色脂肪组织并在棕色脂肪细胞增殖时高度表达，但诱导分化后下降。更有趣的是，miR－155及其靶标成脂转录因子CCAAT／增强子结合蛋白β（C／EBPβ），形成一个双稳态反馈回路，整合了调节增殖或分化的激素信号，产生双向负反馈调节作用。相反，miR－155缺陷小鼠表现出棕色脂肪组织的增加和白色脂肪组织的“褐变”。分析得出，抑制miR－155的表达，可以增强棕色脂肪细胞分化，并在白色脂肪细胞中诱导棕色样脂肪细胞表型褐变。这些数据表明，miRNA－155和CCAAT／增强子结合蛋白β的双稳态环调节棕色脂肪细胞分化，从而控制棕色和米色脂肪细胞的发育［37］。

miR－150对白色脂肪棕色化具有负向调控的作用。靶向缺失KH－type剪切调控蛋白（KH－type splicing regulatory protein，KSRP）是一种在多个水平上调节基因表达的RNA结合蛋白，能够降低身体肥胖的发生［38］。棕色脂肪选择性基因的表达在KSRP缺失小鼠的皮下以及腹股沟的白色脂肪中增加，白色脂肪中miR－150的表达由于缺乏KSRP的初级加工受损而下降。miR－150直接靶向并抑制PRDM16，同时抑制miR－150的表达，由KSRP缺失引起的棕色脂肪基因的表达升高。该研究揭示了KSRP消融通过抑制miR－150表达，从而增强了白色脂肪组织中的棕色脂肪基因程序［38］。

miR－133在心脏和骨骼肌的生理学中具有确定的作用，其对白色脂肪棕色化具有负向调控的作用［39－41］。Trajkovski等［42］人已经描述了miR－133a和－133b参与棕色和米色脂肪形成，冷暴露导致小鼠棕色脂肪和皮下白色脂肪中这两种miRNA显著降低。在棕色前脂肪细胞分化过程中，抑制miR－133a／b的表达，使UCP－1及其上游调节剂PRDM16表达增强，导致细胞呼吸增加。相反，miR－133模拟物的转染使棕色和一般脂肪细胞标志物的表达变差。用从皮下白色脂肪中分离的前脂肪细胞也观察到miR－133的类似作用。进一步的体外实验证实，β－肾上腺素能产生刺激，抑制肌细胞增强因子2（Mef2）转录因子的表达，由此降低miR－133a／b水平，导致miR－133靶标PRDM16的直接增加，产生白色脂肪组织的褐变。最近的一项研究重申了miR－133a对棕色和米色脂肪细胞分化的调节作用［43］。作者使用了敲除小鼠模型，其中通常产生成熟miR－133a的4个等位基因中的3个被删除。虽然这种miR－133a的骤减不影响棕色脂肪中的棕色标记基因表达，但观察到明显的白色脂肪的“褐变”。此外，与具有匹配的年龄，性别和遗传背景的野生型小鼠相比，其葡萄糖耐量和胰岛素敏感性具有显著改善。另外，Liu等［44］人的研究提示miR－133a／b的双重作用，控制脂肪组织以及骨骼肌中的非颤抖产热。

miR－129－5p对白色脂肪棕色化具有负调节的作用。它作为一个对机体非常重要的肿瘤抑制因子，可以有效地抑制癌细胞的增殖分化。中南大学［45］关于miRNA的微阵列分析研究表明，miR－129－5p在胰岛素抵抗的3T3细胞中高度表达，可以推测出，miR－129－5p可能在脂肪细胞中发挥作用。有研究表明，miR－129－5p在小鼠皮下的白色脂肪和棕色脂肪中表达较高，其表达水平在脂肪细胞分化期间呈现升高趋势。并且过表达miR－129－5p能够抑制3T3前体脂肪细胞的增殖过程。另外，过表达miR－129－5p对G3BP1基因mRNA及蛋白水平的表达都具有抑制作用，miR－129－5p直接靶定G3BP1基因的3’UTR区域，并且过表达miR－129－5p使p38的蛋白水平及磷酸化水平表达显著升高。该实验证明了miR－129－5p可以通过靶定G3BP1并影响p38通路抑制3T3前体脂肪细胞的增殖过程，与此同时miR－129－5p能够在分子水平上抑制白色脂肪向棕色化的转变，但是该过程并不会影响脂肪细胞的分化。该研究成果为miRNA对白色脂肪棕色化的调控研究开拓了新方法并提供了理论依据。

从负向调节棕色化的miRNAs中可以看出，miR－155直接作用于C／EBPβ来负向调节棕色脂肪细胞的分化；miR－150和miR－133都是通过PRDM16这个靶基因的作用途径来调控棕色化；miR－129－5p则是通过G3BP1的作用途径，负向调控棕色化。可以见得，这些miRNAs都是通过特定靶基因的作用通路来负向调控白色脂肪棕色化。

4 运动对miRNAs以及白色脂肪棕色化的影响

运动训练可以改变多种组织器官中miRNAs的表达，调节生理系统的功能。有研究显示，强度为20 min 75%VO2max的运动能够致使外周血单核细胞中94个miRNA的表达改变［46］。15m／min、90 min运动导致C57BL／6J小鼠骨骼肌中miR－23的表达降低，使miR－181、miR－1、miR－107的表达显著升高，说明耐力训练的适应调节过程可能受miRNA调控［47］。Fernandes等［48］人研究发现，运动训练可以降低肥胖Zucker大鼠miR－208a表达，使Med13表达升高，调节机体的脂类代谢和能量平衡。有研究为了进一步阐明miRNAs在生物学中的作用，测量了28名中年休闲运动员血浆中的miR－133a［49］。研究人员包括28名中年康乐运动员（其中包括11名女性和17名男性，平均年龄为46岁），他们进行了21.1公里的半程马拉松比赛。在运动前和运动进行后分别测量血浆中miR－133a的浓度，肌酸激酶（CK）和高敏心肌肌钙蛋白T（hs－cTnT）的血清浓度。结果发现，miR－133a在半程马拉松赛后立即大幅增加。结合miR－133a研究可以看出，在正常情况下，miR－133a对白色脂肪棕色化具有负调节的作用，那么半程马拉松运动赛后miR－133a大幅度增加，使其对白色脂肪棕色化的负调节作用更加明显。我们可以推测，有的运动通过对miRNAs产生影响，可能对白色脂肪棕色化产生潜在的调节机制。

运动能有效减少脂肪组织体积和甘油三酯的储存，是世界上公认最安全的肥胖干预手段［50－54］。二十世纪末，人们开始研究运动训练对棕色脂肪组织的影响，但是研究结果并不完全一致［55，56］。Dinas等［57］人的研究报道了体育活动与棕色脂肪活性呈负相关。同时也有研究显示，运动训练对棕色脂肪并没有明显的影响。Stan－ford等［58］人研究认为，运动可诱导白色脂肪发生巨大改变，能够增强线粒体的活性和基因的表达，促使白色脂肪棕色化。Spiegelman实验室［59］发现有氧运动可使白色脂肪向米色脂肪转变，从而加速脂肪代谢、促进机体的产热，有氧运动作为一种健康的生活方式相比于药物是一种更好的治疗方式。国内学者有研究［60］发现，有氧运动对SD大鼠腹内的白色脂肪棕色化作用并不明显，但是有氧运动能提高SD大鼠的肩胛间棕色脂肪的产热，促进棕色脂肪细胞分化。另外，付鹏宇等［61］人研究发现，以低氧暴露和运动训练作为干预手段，能够提高棕色脂肪的标志蛋白UCP－1和白色脂肪棕色化的作用因子PGC－1αmRNA的相对含量，促进白色脂肪的棕色化，提高机体棕色脂肪细胞的活性。也有研究［62］发现，低氧环境下，PGC－1α表达增加，与PPARγ共同作用，促进白色脂肪组织向棕色化转变，这一研究与常氧环境下，白色脂肪棕色化的作用相一致。Lu等［63］人的研究揭示了，PGC－1α通过低氧刺激调控脂肪细胞产热、脂肪酸氧化、糖代谢和脂代谢，并且对脂肪细胞的分化具有重要影响［64］。目前有关常氧运动和低氧运动对白色脂肪棕色化的影响研究较少且存在争议，今后须进一步验证不同运动方式对白色脂肪棕色化的确切作用机制［65］。

总体来讲，有关运动对miRNAs调控的研究处于起步阶段，还需进一步的验证和探讨其作用机制及生物学意义。关于运动对白色脂肪棕色化的影响，不同的研究方案，其结果也存在着差异，针对当前的研究现状，今后的研究需要更全面地阐明不同运动方式诱导白色脂肪棕色化的作用机制和生理学依据。

5 小结和展望

综上所述，miRNAs与白色脂肪棕色化的过程联系紧密，miRNAs可进行棕色化基因转录后的调节，且miRNAs对白色脂肪棕色化有正向和负向调节之分。但是，当前只有少量的miRNAs对白色脂肪棕色化的作用机制被阐述（如图1所示），今后须进一步研究其他miRNAs对白色脂肪棕色化的作用机制。值得注意的是，目前有关miRNAs对白色脂肪棕色化的研究仅在动物实验和人体细胞培养中得到验证，其在人体中的确切作用机制还有待进一步的验证。就疾病而言，基于RNA疗法已进入临床试验阶段，进一步探索白色和棕色脂肪组织中miRNAs的功能将会成为帮助人类治疗肥胖症及其后续并发症的新疗法［66］。另外，关于运动对miRNAs的影响研究还在起步阶段，有关于运动对白色脂肪棕色化影响的研究较少且存在争议，今后的研究还需更加全面地阐明不同运动方式诱导miRNAs和白色脂肪棕色化的作用机制及生理学意义，使该领域的研究系统更加完善，尽可能多的发现能够有效干预肥胖的miRNAs，促进棕色脂肪的生成以及白色脂肪棕色化，预防和治疗人类的肥胖及代谢异常疾病。

图1 运动、白色脂肪棕色化、miRNAs三者的作用过程