自噬对脂肪细胞脂质代谢及分化调节的研究进展

周 晔，陈淑芹，金 庸，励 丽*

(1.宁波大学 医学院，浙江 宁波315211；2.宁波市第一医院 内分泌科，浙江 宁波315010)

脂肪组织是机体主要的能量储存库，是分泌脂肪因子和激素以维持代谢稳态的内分泌器官。根据不同细胞起源通常将脂肪组织分成3类：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 adipose tissue)。白色脂肪细胞包含单个脂滴及少量线粒体。棕色脂肪细胞包含多个脂滴及丰富的线粒体，通过线粒体解偶联蛋白(uncoupling protein 1, UCP1)将能量以热量的形式散发，表现出独特的生热作用，因此可以抵抗肥胖和与肥胖相关的疾病，如2型糖尿病等[1]。米色脂肪细胞是位于WAT内的棕色化细胞，有着与棕色脂肪细胞相似的产热功能，其UCP1的表达水平高于白色脂肪细胞，可由冷暴露或β-肾上腺素能受体(β-adrenergic receptor,β-AR)激动剂的刺激而诱导产生[2]。目前有大量研究表明自噬能够影响不同器官(如肝脏、脂肪组织、胰腺等)的脂质代谢，但不同的自噬类型对于脂肪细胞中的脂质代谢及脂肪细胞的分化未有系统报道，故本文对此作一阐述。

1 自噬的概述及分类

自噬可将细胞内蛋白质和细胞器运送至溶酶体进行降解和再循环，从而实现细胞代谢和细胞器更新，在调节细胞能量代谢和营养物质储存中起着关键作用。通过细胞运送底物至溶酶体的不同途径，通常将自噬分为：巨自噬、分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)和微自噬，该3种自噬形式均参与脂滴的分解代谢。

脂滴是生物体内主要的脂质储存形式，是脂肪细胞内的标志性细胞器[3]。脂滴形成于脂肪细胞终末分化阶段，体积逐渐增大的脂滴分别填充于分化成熟的单个白色脂肪细胞中。脂滴的核心主要由中性脂肪三酰甘油(triglyceride, TG)和总胆固醇(total cholesterol, TC)组成，外侧由单层磷脂和大量脂蛋白(主要是脂蛋白家族，perilipins, PLINs)组成。在能量正平衡状态下，多余的能量转化为TG，并沉积在脂肪细胞的脂滴中，导致WAT膨胀；在能量负平衡状态下，TG被胞质脂肪酶连续水解释放游离脂肪酸(free fatty acids, FFAs)，氧化后为机体提供能量[4]。同时，脂滴也可进入另一种途径——脂噬，即通过自噬溶酶体介导对脂滴进行选择性降解，从而释放游离脂肪酸(FFAs)[5](图1)。脂噬与传统脂肪酶介导的脂解作用一同在脂质代谢中发挥重要作用，对机体健康具有极大意义，不仅影响脂肪细胞的脂质代谢，而且还与多种代谢性疾病密切相关(例如肥胖症、2型糖尿病、脂肪肝和动脉粥样硬化等)[6-7]。另外，根据正在降解的货物类型也可以将自噬进行定性分类，如自噬对线粒体的降解称为线粒体自噬。由于线粒体内膜上含有大量的UCP1，因此线粒体自噬对于棕色脂肪细胞的失活以及从米色到WAT的转变有重要意义[8]。了解自噬对脂肪细胞的分化调节，有助于了解肥胖的发生发展机制，进一步提供治疗及预防肥胖的新思路。

2 自噬对脂肪细胞中脂质代谢的影响

2.1 巨自噬对脂肪细胞中脂质代谢的影响

巨自噬是细胞自噬的主要类型，胞质细胞器和可溶性物质被隔离在双膜自噬体中，形成自噬泡，随后与溶酶体融合形成自噬溶酶体，其内容物被溶酶体酶混合并降解，降解产物(如氨基酸等)可释放回细胞中重复利用。该过程可由30多种自噬相关基因(autophagy-related genes, ATG)调控，并且这些基因的蛋白质产物可以具有自噬的独立功能[9]。巨自噬的激活不仅能够将脂滴转运至溶酶体，通过酸性脂肪酶进行降解，同时也可通过中性脂肪酶增强脂解作用，尽管其与脂解作用有着相似的作用，但二者的交互调控机制仍不明确。SIRT3是NAD+依赖性的脱乙酰酶家族成员，主要位于线粒体之中， SIRT3表达会增加AMPK及FOXO3的磷酸化，从而直接激活其下游信号ULK1蛋白， 最终引起脂肪细胞发生的巨自噬[10]。另外，脂解抑制剂DEUP可部分阻断SIRT3诱导的脂肪细胞中TG含量降低。由此提示，SIRT3同时通过脂噬及脂解作用减少脂肪细胞中脂质累积。

图1 脂噬的三种主要类型Fig 1 Three major types of lipophagy

巨自噬对白色脂肪细胞和米色脂肪细胞的棕色化及脂肪细胞的分化起了重要作用。在3T3-L1前脂肪细胞中，敲除自噬体形成所需的基因ATG7或ATG5后，可阻断其分化为成熟脂肪细胞，使脂质沉积减轻，小鼠WAT中白色脂肪细胞减少的同时伴随着米色脂肪细胞数量增加[11]。此外，覆盆子酮能通过增加BAT特异性蛋白的表达来诱导3T3-L1前脂肪细胞棕色化，同时显著降低自噬相关蛋白ATG12的表达[12]；亚砷酸盐通过对SESTRIN2和ULK1表达的下调从而抑制自噬，阻碍棕色脂肪细胞的分化和功能[13]。然而，这些研究是用未分化的脂肪细胞或通过种系遗传操纵产生的小鼠进行实验，因此不受脂肪细胞分化的影响而单独评估自噬对成熟脂肪细胞的影响较为困难。最近一项研究用亮抑酶肽抑制脂肪特异性蛋白27敲除(FSP27 KO)成年小鼠的自噬以排除该作用对BAT分化的影响后，抑制自噬能够减少BAT中脂滴的降解[14]。由此可见抑制自噬可以促进WAT棕色化，即WAT表现出BAT特征，是预防和治疗肥胖症和相关代谢疾病的潜在治疗目标。

2.2 CMA对脂肪细胞中脂质代谢的影响

CMA可引发脂滴表面蛋白的降解，主要由AMPK信号调节，是近几年发现的参与脂质分解及储存的新角色。在脂滴的表面覆盖有数百种蛋白质，与脂解及脂噬密切相关的蛋白为PLINs(PLINs1-5)，其能够调控进入TG和TC核心的通道，因此成为了脂噬和脂解的主要控制点[15]。PLIN1主要表达于脂肪细胞中，一旦检测到脂解信号，PLIN1就会迅速磷酸化并释放CGI-58基因，最终激活脂肪甘油三酸酯脂酶(adipose triglyceride lipase, ATGL)以启动脂解。在3T3-L1前脂肪细胞中，脱乙酰基酶SIRT3通过AMPK介导的PLIN1磷酸化来激活CMA以诱导脂滴分解[10]。在肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)激活的鼠3T3-L1的脂肪细胞中，可通过SQSTM1/p62选择性识别并降解PLIN1，从而促进自噬介导的脂解过程[15]。PLIN2和PLIN3在细胞中普遍表达，均带有KFERQ样肽基序，该基序是与热休克蛋白HSC70结合和易位至溶酶体所必需的，这些基序的突变使PLIN蛋白积累，因此导致脂噬及脂解水平的减少[16]。HSC70对PLIN2/3的识别早于AMPK介导的磷酸化，这可能促进PLIN释放从而降解。在脂解作用增强时，CMA可降解PLIN2/3，促进脂滴与胞质脂肪酶ATGL的结合(即更高的脂解速率)。在这同时，脂滴中自噬体形成与溶酶体的融合导致了TG的降解，可见CMA也参与了巨自噬介导的脂解过程，从而将CMA定位为巨自噬和胞质脂解的关键上游调节剂[16]。

综上所述，CMA至少通过两种不同的机制来促进脂质代谢，即脂肪酶的降解和脂滴表面蛋白的选择性降解。目前这些研究是在鼠成纤维细胞或肝细胞中进行的，尚无在体内脂肪组织中关于CMA活性的研究，有研究者开发了一种KFERQ-Dendra转基因小鼠模型，初步对其体内的脂肪组织进行分析，表明BAT中的基础CMA活性比WAT高10倍[17]。该小鼠模型可以特异性分析不同细胞类型中基础及诱导后CMA活性，为今后研究不同脂肪细胞中CMA对脂质代谢的调节提供了可能。

2.3 微自噬对脂肪细胞中脂质代谢的影响

微脂噬是指溶酶体膜凹陷或突出，将脂滴包裹到溶酶体囊泡中随后被降解的过程[18]。例如，在酵母细胞受到氮饥饿、葡萄糖消耗及磷脂失衡等刺激条件下，酵母溶酶体膜内陷将脂滴吸收到溶酶体中进行降解。在3T3-L1分化成熟的脂肪细胞中，轻度的线粒体解偶联能够诱导一种不依赖于脂肪酶(如HSL和ATGL)的脂解过程，微自噬在该过程可能起了重要作用[19]。关于微自噬对脂质代谢的研究大部分在酵母中进行，哺乳动物中微自噬的机制和生理相关性研究甚少，因此很难判断酵母中的发现与哺乳动物之间的相关性，微自噬对脂肪细胞中脂质代谢的调节也需要进一步的探索。

3 自噬对调节脂肪细胞分化的作用

3.1 自噬与脂肪细胞分化的关系

脂肪细胞分化是一个高度精细的调控过程，自噬对脂肪细胞的分化至关重要。3T3-L1前脂肪细胞分化为白色脂肪细胞会引起TG大量积累，而抑制自噬的同时也抑制了TG积累[11]。在缺乏自噬的细胞中，脂肪细胞分化的标志物(如脂肪细胞蛋白2、脂肪酸合酶、硬脂酰辅酶A去饱和酶1和葡萄糖转运蛋白4)被诱导的程度较小，这表明TG无法积累的原因是继发于脂肪细胞分化受损[11]。由此可见，抑制自噬能够减少脂肪分化终末阶段中主要调控因子的表达。

3.2 线粒体自噬对脂肪细胞分化的影响

线粒体自噬是一种降解线粒体的选择性自噬形式，该过程对富含有线粒体的细胞(如棕色、米色脂肪细胞)起着关键作用，能够调节脂肪细胞分化及维持米色脂肪细胞的平衡[2]。当自噬被抑制时，撤除脂肪组织棕色化刺激因素(冷暴露、β3-AR等)后，皮下WAT中仍能保留高水平的UCP1和线粒体含量[20]。换而言之，抑制线粒体自噬能够维持米色脂肪细胞的形态与功能。此外，FAM134B蛋白能够通过促进线粒体自噬来促进3T3-L1前脂肪细胞的分化，FAM134B过表达小鼠的性腺WAT重量较对照组增加78%，TG易以脂滴的形式储存于脂肪细胞中[21]。根据自噬在不同脂肪细胞中的作用显示，抑制自噬能更好地预防肥胖症，原因在于减少白色脂肪细胞中脂滴的形成，同时促进米色或棕色脂肪细胞中的能量消耗。

线粒体自噬不仅对白色脂肪细胞和米色脂肪细胞的转变起作用，也参与了棕色脂肪细胞的活性调节[22]。棕色脂肪细胞特异性ATG7基因敲除(ATG7BKO)小鼠的BAT相比对照组颜色更红，脂滴的数量及体积均较小，由于线粒体含量和UCP1表达的增加，有更高的脂肪酸氧化速率，因此有更好BAT活性和全身能量代谢[22]。尽管线粒体含量增加，但ATG7BKO小鼠的BAT中PGC1α和UCP的转录水平却下调，自噬不足可能会激活一种负反馈机制，抑制线粒体的生物发生信号和产热活性。总而言之，棕色脂肪细胞的自噬在调节BAT活性和全身能量代谢中起关键作用。线粒体能够促进脂肪细胞内的脂肪酸氧化，促进脂类代谢，但是其在棕色或米色脂肪细胞中脂类代谢的详细机制及作用尚不明确。

3.3 自噬在脂质合成代谢中的作用

尽管有明确证据表明自噬调节脂肪细胞分化，但自噬介导的脂肪形成(adipogenesis)的分子机制仍不清楚。自噬可能直接调节脂肪形成的一种或多种转录调节因子的表达，或通过细胞质重塑促进脂肪生成。目前大量研究表明自噬在脂滴合成代谢中起主要作用，但这并不意味着脂肪形成需要所有与自噬相关的基因。敲除ATG2a或ATG9a对3T3-L1脂肪细胞的分化没有明显影响，这可能是由于其他基因的功能冗余所致，而ATG4b被视为是成脂因子C/EBPβ的靶基因，其与ATG5和ATG7一样，是参与调控脂肪形成的重要自噬相关基因[23]。此外，小鼠模型中促进自噬会加速KLF2和KLF3(脂肪细胞分化的负调节剂)的降解，从而上调PPAR-γ和C/EBPβ的表达(脂肪分化的正效应调节剂)，有利于脂肪的形成[23]。以往研究认为WAT细胞更新很慢，但实际上成年人每年有10%的脂肪细胞进行替换，自噬在其中发挥重要作用。目前有关自噬在脂肪细胞分化及脂质合成方面的作用机制尚不清楚，需进一步的研究明确相应机制。

4 问题与展望

近几年自噬在调节脂类代谢及脂肪细胞分化方面的取得较大进展，该领域的研究加深了对自噬和体内脂质稳态及其相关机制的理解。然而，自噬与脂解途径互相作用的分子机制仍不明确，目前仍然缺乏关于直接调节脂滴与自噬体或溶酶体之间相互作用的分子机制，寻找此过程的关键蛋白在细胞生物学和生理学方面有较大的意义。另外，CMA和微自噬在脂肪细胞中发挥的作用仍不十分明确。与传统的脂解途径相比，尚不清楚棕色/米色脂肪组织中脂噬作用与产热的功能关系，需要进一步研究来确定自噬在成熟脂肪细胞中的作用。

前期工作发现了在棕色脂肪细胞中表达丰富的Adssl1基因(能够改变细胞内嘌呤核苷酸的浓度)，该基因敲低组细胞内自噬水平增加，进而影响细胞内UCP1的活性、表达及能量代谢，因此，深入研究脂噬可以为靶向治疗肥胖症、2型糖尿病等各种代谢性疾病开辟新的治疗途径。