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摘要：越来越多的研究结果表明脂肪组织不仅仅是被动的能量储存器官,而且是能够分泌多种激素类物质的内分泌器官;脂肪细胞分化及其调控失常与人类多种疾病如肥胖症、糖尿病、脂肪肝、高脂血症及乳腺癌等密切相关。对脂肪细胞分化机制及其调控的研究,不但对于探讨上述重大生命和疾病过程具有重要理论意义,而且对于上述疾病的预防与治疗,特别是对于在细胞和分子水平上筛选针对上述疾病的药物,也具有实际意义。本文从脂肪细胞的起源、前脂肪细胞向脂肪细胞的分化过程、脂肪细胞分化的调控,以及对脂肪细胞分化研究应注意的问题等进行了综述,以期对脂肪细胞分化及其调控进行全面总结。
关键词：脂肪细胞;分化;调控
AbstractFattissueandadipocyteshavebeenexclusivelyinvestigatedinthepasttwodecades,especialyinthelasttenyears,,moreandmorestudiesshowedthatfattissueisnotonlyanorganforenergystorage,butalsoanen,theestablishedpreadipocytecelllineshavebeenprovidingpowerfultoolsfortheinvitroresearchofadipocytedifferentiation,becausetheseimmortalcelllinesauthenticallyrepresent,toagreatext,theinvivosituationsofthesecellsandcanbytedifferentiationandmanyphysiologicalorpathologicalprocessesincludingsaccharideandfatmetabolism,energybalance,obesity,diabetes,ipocyteintoadipocyteforunderstandingtheabovementioneddiseasesandforscreeningantiobesityandantidiabetesdrugs.
KeywordsAdipocyte;Differentiation;Regulation
脂肪组织和脂肪细胞是近二十年特别是近十年人们广泛探索的领域之一。这主要有两个原因:首先,越来越多的研究结果表明脂肪组织不仅仅是动的能量储存器官,而是能分泌多种激素类物质内分泌器官;其次,上世纪七八十年代以来相继建立起来的在合适激素诱导下可以分化成脂肪细的永生化成纤维细胞系,为体外研究脂肪细胞分化提供了有效工具,因为这些永生化的前脂肪细胞在很大程度上真实代表了这类细胞在体内的情。目前已经证明脂肪细胞分化与糖及脂肪代谢、机体能量平衡、与肥胖症、与II型糖尿病、与脂肪和高脂血症及乳腺癌等有非常密切的关系。对脂细胞分化机制及其调控的研究,不但对于探讨上重大生命和疾病过程具有重要理论意义,而且对于上述疾病的预防与治疗,特别是对于在细胞和分子水平上筛选针对上述疾病的药物,也具有实际意义。
一、脂肪细胞的起源
二、脂肪细胞的分化
人和动物的脂肪组织大约三分之一是脂肪细,其余的三分之二是微血管、神经组织、成纤维细和处于各种不同分化阶段的前脂肪细胞,所以从生态学上对成纤维细胞和前脂肪细胞做出区别,或对处于各种不同分化阶段的前脂肪细胞做出区别比较困难。近二十多年来对脂肪细胞增殖分化及调控方面的研究主要使用体外分化系统。最常用的有种体外培养系统,即前脂肪细胞系(preadiposecellline)和原代前脂肪细胞(primarypreadipocyte)。现在经建立起来的最有代表性的两个前脂肪细胞系是小鼠胚胎的Swiss3T3细胞中诱导分化出来的,即T3-F442A和3T3-L1小鼠前脂肪细胞系,二者都能异性地分化成脂肪细胞。经过多年努力,最近界上第一个人的前脂肪细胞系已经建立起来,这是一个从婴儿皮下脂肪组织的血管基底细胞经过特定诱导条件建立起来,在一定的诱导分化条件下,此细胞系的95%的胞都可以分化成成熟的脂肪细胞。除了用上述前脂肪细胞系进行体外增殖分化研究以外,也可以用原代培养的前脂肪细胞进行类似的研究。但是使用原代培养的前脂肪细胞有几个明显的缺点:第一,将脂肪细胞从各种成纤维细胞中分离出来比较困;第二,脂肪组织中前脂肪细胞的含量较少,要得足够的前脂肪细胞需要大量的脂肪组织;第三,原培养的前脂肪细胞在体外培养的时间较短,一般超过7~8代。但使用原代前脂肪细胞也有优势:第一,原代前脂肪细胞是二倍体,能够比非整倍体的细胞更真实地反映体内环境;第二,可以根据不同研究的需要,从不同物种、不同性别、不同年龄的不同位获得前脂肪细胞进行体外培养,更具有真实性针对性。
前脂肪细胞系和原代前脂肪细胞具有分化成成的脂肪细胞的能力。待分化的细胞具有一切正常细胞所具有的包括生长和有丝分裂在内的细胞周期,而开始进入分化的前提就是退出此细胞周期。般将待分化的细胞退出细胞周期的现象称为生长制(growtharrest),脂肪细胞分化也是以生长抑制为前提条件的。生长抑制之前,前脂肪细胞一般历一个细胞汇合(confluence)的阶段,但这种细胞接触并不是脂肪细胞分化的先决条件,比如在无血清培养基中培养的密度较低的鼠原代前脂肪细胞缺少细胞间接触的条件下也能分化。一般认为,脂肪细胞分化前的生长抑制发生于细胞周期的G1期,这时的细胞不但停止生长而且失去了对促有丝分裂介质的反应,称为Gd期。另外,还存在由于缺少生长因子而引起的生长抑制(Gs)和由于缺少营养而引起的生长抑制(Gn),这两种生长抑制也都发生于G1期,但只有抑制于Gd期的细胞能在缺少DNA合成的情况下获得分化表型和能在甲基异丁基黄嘌呤(MIBX)的诱导下增殖,而这两个特征是处于Gs和Gn期的细胞所不具备的。
在脂肪细胞分化的晚期阶段,培养基中的脂肪细胞数量显著增加,脂肪积累的速度显著加快,也获了对胰岛素等激素的敏感性。这时最主要的标志和三酰基甘油代谢关系密切的酶的活性显著增,可检测到增加10~100倍。这些酶包括:ATP柠檬酸裂解酶(ATPcitratelyase)、乙酰辅酶A羧化酶acetyle-CoAcarboxylase,ACC)、脂肪酸合成酶(fattyacidsynthase,FAS)、3磷酸甘油醛脱氢酶(glycerol3hosphatedehydrogenase,GPDH)等。此时的其它变化有:葡萄糖运转蛋白和胰岛素受体数目增加;瘦素（leptin)开始合成;某些脂肪组织特有的产物开始合或加速合成,这些物质主要有:脂肪酸结合蛋白aP2)、脂肪酸运转蛋白(FAT/CD36)、脂被蛋白(perilipin)、monobutyrin(一种血管生成介质),以及几种血管紧张素肽原等。
超越脂肪细胞分化特定阶段的细胞必定会进入后的最终分化;一旦进入最终分化,则既不能去分,也不能重新进入有丝分裂。因此,失去增殖能力脂肪细胞进入最终分化的标志。
三、脂肪细胞分化调控
细胞分化的本质是基因表达模式的转变。伴随脂肪生成而发生的细胞脂肪积累和形态学上的改等是由于细胞在分化中特定基因的诱导表达所。从这个意义上来说,转录因子的表达和活性决定了分化过程。对培养的前脂肪细胞系和成纤细胞系的研究获得了很多有关促进脂肪生成和脂肪细胞分化的转录因子的数据,用转基因和基因敲除技术对所建立的细胞模型进行体内研究也取得了一些有意义的结果。目前已鉴定出的对脂肪生成和脂肪细胞分化有直接影响的转录因子主要有三种,即:PPAR、C/EBPs和ADD1/SREBP1。
(一)PPARYPPARY是核激素受体超家族中的一员,为过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisomeproliferatoractivatedreceptor)。和这类转录因子中的很多成员一样,PPAR必须与其他核激素受体形成二聚体并与DNA结合才能表现出转录活性。PPAR有两种异构体,即PPAR1和PPAR2。PPAR2在N末端比PPAR1多30个氨基酸,是对脂肪细胞分化具有决定性作用的一个异构体,仅限于在脂肪组织中表达。PPAR1在脂肪组织中的浓度较低,并且在很多其他类型的细胞和组织中也存在,如巨噬细胞、II型肺炎细胞、结肠上皮细胞,以及膀胱、乳腺和前列腺组织等。PPAR被激活之后,细胞表现出很多相应的生理效应,如形态学变化、脂肪积累以及获得对胰岛素的敏感性等。临床上用PPAR激动剂来处理脂肪瘤,发现此起源于脂肪的恶性组织获得很强的分化能力。这种结果是否意味着可以改善此类患者的症状是目前临床研究的一个热点。最近进行的脂肪生成功能缺失实验证明,在促进脂肪细胞分化方面,PPAR既是必需的也是充分的。Rosen等用ES细胞途径证明了PPAR对脂肪细胞在体内和体外的分化都是必需的。他们用野生型ES细胞和纯合缺失ES细胞获得嵌合小鼠。PPAR基因纯合缺失小鼠在胚胎发育的10天左右死亡,10天以内的小鼠胚胎还没有形成可检测到的脂肪;而正常的小鼠10天以内的胚胎已经可以检测到脂肪的存在。在体外,PPAR基因纯合缺失的ES细胞能分化多种组织,但唯独不能分化成脂肪组织。上述结果充分证明PPAR是体内和体外脂肪生成所必需的。
最近利用PPAR在药理学上的抑制剂进行的研究对上述遗传学研究结果给予了补充。Wright等证明由PPAR激动剂诱导的或由有关激素诱导的脂肪生成作用可以被PPAR拮抗剂所抑制。Barroso等最近在一些严重胰岛素抵抗患者体内发现了PPAR杂合突变体。这些患者的突变等位基因在体外表达时也表现为杂合活性。有趣的是这些患者的体脂含量正常,这表明人体维持脂肪生成和维持胰岛素敏感性所需要的PPAR量是不同的。
(二)C/EBPsC/EBPs是另一类脂肪细胞分化的转录调节因子,为CCTTA增强子结合蛋白生理科学进展2004年第35卷第1期9CCAATenhancerbindingprotein),主要有3种同分异体,即C/EBP、C/EBP和C/EBP!。C/EBPs家族分布不仅仅局限于脂肪组织和脂肪细胞,其功能不仅仅涉及脂肪细胞分化,它们还和粒细胞及肝胞的最终分化有关。C/EBP和C/EBP!在脂肪成中的作用是通过转基因的方法证明的。Yeh证明,不需要激素诱导,C/EBP的外源性表达（ectopicexpression)就足以使3T3-L1前脂肪细胞向脂肪细胞分化,而C/EBP!的外源性表达可以加速脂肪积累。Tanaka等证明缺少C/EBP和C/EBP!者之一的胚胎成纤维细胞的脂肪生成潜力基本正,但当二者同时缺少时,分化成脂肪细胞的过程被重阻断。体内实验也取得了类似的结果。敲除/EBP和C/EBP!二者之一的小鼠具有正常的白脂肪组织,但棕色脂肪组织中脂肪积累表现迟缓;时敲除C/EBP和C/EBP!的小鼠,85%的个体在产期不明原因死亡,存活的15%棕色脂肪组织量减,而白色脂肪组织的量减少较少。体外培养的开始分化的前脂肪细胞系,在分化的早期出现的C/EBP和C/EBP!的瞬时表达,而C/EBP是在化的较晚期阶段才表达的;C/EBP一旦表达,随有大量的脂肪细胞分化的特异基因开始表达。/EBP的过表达可以加速3T3-L1前脂肪细胞向成脂肪细胞的分化,而该基因反义RNA的表达则可阻断此分化过程。C/EBP基因纯合缺失的动物色脂肪组织和棕色脂肪组织都急剧减少。这些结果表明C/EBP可能和脂肪生成有着更直接的关。Prusty等还证明在脂肪生成的早期激活MEK/RK信号途径可以促进C/EBP和PPAR等转录因的表达,从而促进脂肪细胞分化。
C/EBPs家族除上述3个成员外,还有C/EBP?。脂肪细胞的分化过程中C/EBP?的表达受到抑制,而当分化接近结束时C/EBP?的表达又被重新诱导。C/EBP?作为该家族的一个成员,其本身不能与DNA结合,但可以与C/EBPs的其他成员结合成聚体,从而抑制被其结合的这些成员的活性。C/EBPs的含量可以在很多水平上调节,包括转录水、转录后水平和翻译水平。
(三)ADD1/SREBP1脂肪细胞决定与分化因子(ADD1)属于基础螺旋-线圈-螺旋(basichelixloophelix)转录因子家族的一个成员,此转录因子家调节特异组织中的基因表达,特别是起源于中胚的脂肪组织和肌肉组织。此因子最优先在棕色脂肪组织中表达,其次是肝、白色脂肪组织和肾。ADD1又称为甾醇调节元件结合蛋白1(sterolregulatoryelementbindingprotein1,SREBP1)。Kim等发现诱导培养的前脂肪细胞系向脂肪细胞分化时,编码此蛋白的mRNA水平急剧升高;在诱导分化的激素存在时,3T3-L1细胞中ADD1/SREBP1的过表达可导致脂肪细胞标志物表达量的提高和脂肪的大量积累。ADD1/SREBP1影响脂肪生成的机制还不是很清楚,但种种迹象表明与PPAR有关。ADD1/SREBP1和PPAR共表达可显著提高系统的转录活性,而ADD1/SREBP1的单独表达则效果很小。二者的关系可能是ADD1/SREBP1的表达产生了某些能提高PPAR活性的因子。Kim等的实验结果也支持这一观点:ADD1/SREBP1基因杂合能导致脂肪细胞分化的阻断,而加入PPAR配体TZD后分化完全恢复。这些结果表明ADD1/SREBP1是通过影响内源性PPAR配体的生产而对脂肪细胞分化产生作用的。Fajas等最近提出PPAR本身就是ADD1/SREBP1作用的一个靶基因。已经比较肯定的是ADD1/SREBP1在体内可以调节很多和脂肪生成有关的基因的表达,如LPL、FAS、磷酸甘油酰基转移酶(GPAF)等。综上所述可以将各转录因子与脂肪细胞分化的关系总结如图1。图1脂肪生成过程中各转录因子的功能及相互关系(箭头表示有激活或促进表达作用)除上述几个转录水平上的调节因子以外,影响脂肪生成和脂肪细胞分化的因子很多,如生长激素(GH)、胰岛素、类胰岛素生长因子1(IGF1)、糖皮质激素(glucocorticoid)、前列腺素(PG)、肿瘤坏死因子(TNF)、表皮生长因子(EGF)、转化生长因子10生理科学进展2004年第35卷第1期TGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)、碱性成纤维细胞生长因子(BFGF)、瘦素、视黄酸(RA)、三典甲腺原氨酸(triiodothyronine)、环腺苷酸(cAMP)、甲基异丁基黄嘌呤等。这些影响有促进分化的,也有抑制化的;有直接作用,也有间接作用;可以单独作用,可以协同作用。总之,它们对脂肪生成和脂肪细分化的影响很复杂,对其机制的阐明也需要一个期的过程。
四、脂肪细胞分化研究中存在的问题
参考文献【略】
