孫宗揚(yáng)，王金泉，蒙建菊，王俊麗

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052)

脂肪與肥胖相關(guān)基因和脂肪形成關(guān)系的研究進(jìn)展

孫宗揚(yáng)，王金泉*，蒙建菊，王俊麗

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052)

脂肪與肥胖相關(guān)(FTO)基因是一個(gè)與人類肥胖緊密相關(guān)的基因。自該基因被確定后，建立了各種動(dòng)物模型來(lái)探究FTO基因與肥胖之間可能存在的聯(lián)系機(jī)制，早期的許多研究主要集中于FTO基因通過(guò)中樞調(diào)節(jié)食物攝入量的機(jī)制方面。然而，新的研究發(fā)現(xiàn)脂肪組織的發(fā)育及功能與FTO基因和肥胖存在一定的關(guān)聯(lián)，F(xiàn)TO基因在脂肪的形成中發(fā)揮一定的作用，研究包括FTO基因?qū)χ炯?xì)胞形成的影響，對(duì)脂肪形成過(guò)程中的影響，在脂肪形成中的催化作用以及影響脂肪形成機(jī)制的影響，主要探討了FTO基因?qū)χ窘M織和肥胖的影響。隨分子生物學(xué)技術(shù)的不斷改進(jìn)及發(fā)展，F(xiàn)TO基因等多個(gè)與肥胖、脂肪相關(guān)的酶被發(fā)現(xiàn)和關(guān)注，這些酶的研究將為防治肥胖提供更多的理論依據(jù)。

FTO基因；脂肪組織；脂肪細(xì)胞；脂肪的形成；機(jī)制

肥胖已經(jīng)成為當(dāng)前和潛在于未來(lái)幾代人的主要健康危機(jī)。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)表明全球約有14億的超重人群[1]。最讓人擔(dān)憂的是肥胖及其并發(fā)癥對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了影響。世界衛(wèi)生組織估測(cè)全球2%～7%的醫(yī)療保健支出是由于體重過(guò)高引起的[2]。因此，肥胖形成的機(jī)理已成為世界性的研究課題。

在2007年，許多研究小組經(jīng)全基因組關(guān)聯(lián)研究和人口統(tǒng)計(jì)基本方法確認(rèn)出脂肪與肥胖相關(guān)(fat mass and obesity-associated gene,FTO)基因第一內(nèi)含子上的SNP(single nucleotide polymorphism)與歐洲的肥胖人群存在聯(lián)系[3]。此后，許多研究表明除歐洲人外，在東亞人，南亞人，非洲人，西班牙人以及印第安人的FTO基因第一內(nèi)含子上的SNP與體重之間存在聯(lián)系[10]。這些結(jié)果表明在全球范圍內(nèi)的人群中的FTO基因 SNP都會(huì)對(duì)肥胖產(chǎn)生影響，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)SNP與脂肪組織中FTO基因的表達(dá)水平的聯(lián)系。本文就FTO基因與脂肪形成過(guò)程中存在的聯(lián)系進(jìn)行了綜述。

1 FTO基因?qū)χ炯?xì)胞形成的影響

研究表明FTO基因在脂肪細(xì)胞形成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生表達(dá)，新產(chǎn)生的脂肪細(xì)胞起源于脂肪前體細(xì)胞，又源于間充質(zhì)干細(xì)胞。人工培養(yǎng)的脂肪前體細(xì)胞和小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中，F(xiàn)TO基因在脂肪形成的早期階段表現(xiàn)出很高的表達(dá)量，但在脂肪形成末期表達(dá)下降[5-7]。

以上研究表明FTO基因在脂肪形成的過(guò)程中有一定的作用，會(huì)調(diào)節(jié)脂肪前體細(xì)胞的增殖[8]。事實(shí)上，在3T3L脂肪前體細(xì)胞去除FTO基因會(huì)減少脂肪的生成[6,9]，在豬脂肪前體細(xì)胞中也產(chǎn)生相同結(jié)果[10]。去除FTO基因的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞表現(xiàn)出減少脂肪的生成，而在超表達(dá)FTO基因的小鼠前體脂肪細(xì)胞，3T3L1脂肪前體細(xì)胞及豬脂肪前體細(xì)胞中會(huì)增強(qiáng)脂肪的生成[11,9,10]。

這些研究結(jié)果中，F(xiàn)TO基因超表達(dá)小鼠在斷奶8周后飼喂高脂飼料增加性腺周?chē)咨窘M織的脂肪細(xì)胞與WT小鼠相比，然而，在斷奶時(shí)，F(xiàn)TO基因超表達(dá)的小鼠與WT相比較，脂肪細(xì)胞數(shù)量沒(méi)有明顯的變化。清楚地表明在小鼠成年期，F(xiàn)TO基因會(huì)促進(jìn)脂肪的形成，而對(duì)發(fā)育期小鼠的無(wú)作用[11]。在成年期飼喂高脂飼料對(duì)促進(jìn)脂肪的形成是非常重要的，研究表明通過(guò)不同的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制及脂肪前體細(xì)胞的不同亞群[12]，尤其是AKT2/PI3K信號(hào)通路已證明促進(jìn)脂肪細(xì)胞的形成，但對(duì)發(fā)育期的脂肪細(xì)胞的形成不是所必須，暗示著胰島素信號(hào)促進(jìn)脂肪細(xì)胞的形成明顯依賴于營(yíng)養(yǎng)因素，相比之下，發(fā)育期的脂肪細(xì)胞主要在器官的形成期間具有一定的作用[12]。

2 FTO基因在脂肪形成中的催化活性作用

FTO基因編碼一種戊酮二酸(2-oxoglutarate，2OG)依賴的核酸去甲基化酶[13]，其主要底物可能是RNA中的m6A甲基腺苷[14]。在3T3L1脂肪前提細(xì)胞中超表達(dá)全長(zhǎng)的野生型FTO基因可增強(qiáng)脂肪的形成，相反，超表達(dá)無(wú)活性的R96Q FTO基因?qū)χ镜男纬蔁o(wú)影響[9]。相似的，在去除FTO基因的3T3L1細(xì)胞中，可以通過(guò)催化野生型FTO基因的表達(dá)促進(jìn)脂肪的形成而不是催化無(wú)活性的FTO基因[6]；在脂肪形成的有絲分裂克隆擴(kuò)增階段期間細(xì)胞增值減少，可通過(guò)催化野生型FTO基因表達(dá)使其增殖，而不是通過(guò)催化無(wú)活性的R313A FTO基因。

在豬脂肪細(xì)胞中，超表達(dá)FTO基因會(huì)減少m6A水平，去除FTO基因會(huì)增加其水平[15]。有趣的是，超表達(dá)METTL3 m6A甲基化酶會(huì)產(chǎn)生與去除FTO基因相似的效果，而沉默METTL3卻沒(méi)有什么影響[10]。在AMPKα模型小鼠中，脂肪細(xì)胞中激活A(yù)MPK顯著降低了FTO基因表達(dá)水平,顯著提高了脂肪細(xì)胞m6A甲基化水平；但抑制AMPK對(duì)m6A甲基化和FTO基因表達(dá)水平無(wú)顯著影響,三甲基甘氨酸可以激活A(yù)MPKα1,m6A甲基化水平[16]?？赏ㄟ^(guò)化學(xué)的方法(通過(guò)甲基甜菜堿)模仿去除FTO基因的效果使增加m6A水平，而通過(guò)甲基化抑制劑環(huán)亮氨酸會(huì)減少m6A水平類似于超表達(dá)FTO基因[10]。對(duì)發(fā)育期的小鼠可通過(guò)補(bǔ)充甜菜堿可減少脂肪的合成和增加脂肪的分解，不受高能量誘發(fā)對(duì)肝的損傷，說(shuō)明FTO m6Ake可能參與甜菜堿對(duì)肝損傷的保護(hù)作用[17]。在一項(xiàng)研究中，去除ALKBH5 m6A甲基酶，對(duì)脂肪的形成沒(méi)有影響。而在脂肪形成過(guò)程中去除METTL3會(huì)增加脂質(zhì)的沉積[6]。所以m6A可能在脂肪形成期間發(fā)揮作用，是其特異性底物的效果，而ALKBH5甲基化酶不是很重要的。

3 FTO基因可能影響脂肪形成的機(jī)制

FTO基因影響脂肪形成的早期階段，刺激在體外脂肪形成的最初48 h之后的有絲分裂克隆擴(kuò)增階段[11]，其機(jī)制通路是FTO基因調(diào)控RUNX1T1實(shí)現(xiàn)的。SR蛋白的剪接位點(diǎn)的識(shí)別和在內(nèi)含子區(qū)域的加工處理是很重要的，并且FTO基因被證明通過(guò)修飾m6A的 水平來(lái)調(diào)控NRF2靶基因的剪接。其中一個(gè)靶基因是RUNX1T1具有2個(gè)亞型，短亞型是促進(jìn)脂肪形成的，而長(zhǎng)亞型會(huì)減少脂肪生成。去除FTO基因會(huì)減少短亞型的表達(dá)[6]。FTO基因缺失促進(jìn)RUNX1T1第6個(gè)外顯子的跳躍,而METTL3的缺失可促進(jìn)該外顯子的保留。含有第6個(gè)外顯子的RUNX1T1基因表達(dá)產(chǎn)物可抑制脂肪細(xì)胞分化,而缺失該外顯子的RUNX1T1轉(zhuǎn)錄本可促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化[18]。RUNX1T1被證明調(diào)控C/EBPβ活性[19]。有趣是FTO基因被證實(shí)作為調(diào)控因子C/EBPα，C/EBPβ和C/EBPδ的轉(zhuǎn)錄輔激活物[20]，在一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)FTO基因沉默不影響C/EBPβ表達(dá)水平，這暗示著FTO基因作用于C/EBPβ是單向的[21]，但FTO基因可能影響C/EBPβ活性而不是它的表達(dá)量。

4 FTO基因與脂肪的生成過(guò)程

FTO基因除了參與脂肪細(xì)胞形成之外，也可能在脂肪生成過(guò)程發(fā)揮作用。在一項(xiàng)研究中，在人類脂肪前體細(xì)胞SGBS中，去除FTO基因?qū)χ炯?xì)胞的分化，分解或?qū)ζ咸烟堑臄z取沒(méi)有影響，但減弱脂肪從頭開(kāi)始的合成[22]。在人的肌管中，F(xiàn)TO基因超表達(dá)會(huì)促發(fā)脂肪的合成和增強(qiáng)參與脂肪合成過(guò)程中的相關(guān)基因的表達(dá)[5]。小鼠長(zhǎng)期飼喂高脂飼料后會(huì)使脂肪細(xì)胞總量和大小增加[23]，并且脂肪細(xì)胞形成也依賴于脂肪生成過(guò)程的終末分化階段中的甘油三酯，這些結(jié)果暗示著在脂肪形成中FTO基因可能有兩種作用(在有絲分裂克隆擴(kuò)增階段的早期和脂質(zhì)形成的頂盛期間)。另一項(xiàng)研究顯示，脂肪生成和脂肪細(xì)胞之間通過(guò)碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(ChREBP)調(diào)控PPARγ相聯(lián)系[24]。由此可得，F(xiàn)TO基因可能影響ChREBP，并且它將對(duì)在脂肪前提細(xì)胞和去除FTO基因的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞的ChREBP的表達(dá)產(chǎn)生影響。

5 FTO基因與瘦素(Leptin)的聯(lián)系

在心肌細(xì)胞中瘦素增加FTO基因的表達(dá)是依賴于LepRb-STAT3信號(hào)通路和后續(xù)增加的P110 CUX1的亞型[25]。在大鼠下丘腦弓形核中FTO基因超表達(dá)導(dǎo)致STAT3 mRNA的增加[26]。另一方面，在弓形核中瘦素激活STAT3信號(hào)通路并使FTO基因的表達(dá)降低，這依賴于LepRb受體[27]。在肝細(xì)胞中，瘦素的給予，LepRb超表達(dá)和激活STAT3 與IL6通路誘導(dǎo)FTO基因mRNA的表達(dá)，而STAT基因沉默會(huì)抑制瘦素誘導(dǎo)FTO基因mRNA的表達(dá)。相反，F(xiàn)TO基因超表達(dá)減少瘦素誘導(dǎo)STAT3磷酸化和影響該信號(hào)通路的下游。此外，小鼠體內(nèi)肝臟中FTO基因超表達(dá)會(huì)影響STAT3磷酸化及以相似方式影響其下游效應(yīng)[28]。在豬脂肪前體細(xì)胞中pFTO(porcinc FTO)基因超表達(dá)顯著增加γPPAR，C/EBPα和LPL的mRNA水平，促進(jìn)脂肪的形成[29]。

在正常脂肪細(xì)胞分化下，編碼阻遏蛋白ARID5B降低IRX3和IRX5的表達(dá)，變異的FTO rs1421085的編碼蛋白為無(wú)活性的ARID5B(因此會(huì)增加IRX3和IRX5的產(chǎn)生)[30]。這種變化會(huì)導(dǎo)致淺褐色脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)橹厩绑w細(xì)胞的發(fā)育；參與耗能產(chǎn)熱；儲(chǔ)存白色脂肪細(xì)胞的脂質(zhì)沉積；增多脂肪的沉積和體重的增加。

6 小結(jié)

FTO基因的表達(dá)是否與SNP之間存在聯(lián)系，但FTO基因在脂肪形成中起著重要的作用。脂肪會(huì)增加高血壓，糖尿病、心血管疾病的發(fā)生，所以研究FTO基因?qū)θ祟惖慕】迪⑾⑾嚓P(guān)。對(duì)脂肪的研究不能只僅限FTO基因，應(yīng)該從多方面對(duì)其研究，例如Leptin、Ghrelin等蛋白類激素是否共同參與對(duì)脂肪的調(diào)節(jié)。

[1] Malik V S,Willett W C,Hu F B.Global obesity:trends,risk factors and policy implications[J].Nat Rev Endocrinol,2013,9(1):13-27.

[2] McKinsey Global Institute.Overcoming Obesity:An Initial Economic Analysis[R].McKinsey Global Institute,2014.

[3] Frayling T M,Timpson N J,Weedon M N,et al.A common variant in the FTO gene is associated with body mass index and predisposes to childhood and adult obesity [J].Science,2007,316(5826):889-894.

[4] Monda K L,Chen G K,Taylor K C,et al.A meta-analysis identifies new loci associated with body mass index in individuals of African ancestry [J].Nat Genet,2013,45(6):690-696.

[5] Bravard A,Veilleux A,Disse E,et al.The expression of FTO in human adipose tissue is influenced by fat depot,adiposity,and insulin sensitivity [J].Obesity,2013,21(6):1165-1173.

[6] Zhao X,Yang Y,Sun B F,et al.FTO-dependent demethylation of N6-methyladenosine regulates mRNA splicing and is required for adipogenesis [J].Cell Res,2014,24(12):1403-1419.

[7] Tews D,Fischer-Posovszky P,Wabitsch M.Regulation of FTO and FTM expression during human preadipocyte differentiation [J].Horm Metab Res,2011,43(1):17-21.

[8] Jiaying X,Lunjie L,Yang J,et al.The Fto gene regulates the proliferation and differentiation of pre-adipocytesinvitro[J].Nutrients,2016,8(2):102.

[9] Zhang M,Zhang Y,Ma J,et al.The demethylase activity of FTO (fat mass and obesity associated protein) is required for preadipocyte differentiation [J].PLoS One，2015,10(7):e0133788. doi: 10.1371/journal.pone.0133788.

[10] 朱琳娜.FTO、METTL3基因表達(dá)對(duì)豬脂肪細(xì)胞mRNA N6-甲基腺苷水平及脂肪沉積的影響研究[D].浙江杭州：浙江大學(xué),2014.

[11] Merkestein M,Laber S,McMurray F,et al.FTO influences adipogenesis by regulating mitotic clonal expansion[J].Nat Commun，2015，17：6:6792. doi: 10.1038/ncomms7792.

[12] Jeffery E,Church C D,Holtrup B,et al.Rapid depot-specific activation of adipocyte precursor cells at the onset of obesity [J].Nat Cell Biol,2015,17(4):376-385.

[13] Gerken T,Girard C A,Tung Y C,et al.The obesity-associated FTO gene encodes a 2-oxoglutarate-dependent nucleic acid demethylase [J].Science,2007,318(5855):1469-1472.

[14] Jia G,Fu Y,Zhao X,et al.N6-methyladenosine in nuclear RNA is a major substrate of the obesity-associated FTO [J].Nat Chem Biol,2011,7(12):885-887.

[15] Wang X,Zhu L,Chen J,et al.mRNA m A methylation downregulates adipogenesis in porcine adipocytes [J].Biochem Biophys Res Commun,2015,459(2):201-207.

[16] 李 娟.C57BL/6J小鼠白色脂肪與棕色脂肪組織蛋白質(zhì)組學(xué)研究[D].北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院,2015.

[17] Chen J,Zhou X,Wu W,et al.FTO-dependent function of N6-methyladenosine is involved in the hepatoprotective effects of betaine on adolescent mice [J].J Physiol Biochem,2015,71(3):405-413.

[18] 史 悅.6-甲基腺嘌呤去甲基化酶FTO調(diào)控前體mRNA剪接加工的分子機(jī)制研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所,2014.

[19] Rochford J J,Semple R K,Laudes M,et al.ETO/MTG8 is an inhibitor of C/EBPβ activity and a regulator of early adipogenesis [J].Mol Cell Biol,2004,24(22):9863-9872.

[20] Wu Q,Saunders R A,Szkudlarek-Mikho M,et al.The obesity-associated Fto gene is a transcriptional coactivator [J].Biochem Biophys Res Commun,2010,401(3):390-395.

[21] Ronkainen J,Huusko T J,Soininen R,et al.Fat mass- and obesity-associated gene Fto affects the dietary response in mouse white adipose tissue [J].Sci Rep,2015,5：9233.

[22] Tews D,Fischer-Posovszky P,Fromme T,et al.FTO deficiency induces UCP-1 expression and mitochondrial uncoupling in adipocytes [J].Endocrinology,2013,154(9):3141-3151.

[23] Church C,Moir L,McMurray F,et al.Overexpression of Fto leads to increased food intake and results in obesity [J].Nat Genet,2010,42(12):1086-1092.

[24] Witte N,Muenzner M,Rietscher J,et al.The glucose sensor ChREBP links de novo lipogenesis to PPARγ activity and adipocyte differentiation [J].Endocrinology,2015,156(11):4008-4019.

[25] Gan X T,Zhao G,Huang C X,et al.Identification of fat mass and obesity associated (FTO) protein expression in cardiomyocytes:regulation by leptin and its contribution to leptin-induced hypertrophy [J].PLoS One,2013,8(9):130-130.

[26] Tung Y C L,Ayuso E,Shan X,et al.Hypothalamic-specific manipulation of Fto,the ortholog of the human obesity gene FTO,affects food intake in rats [J].PLoS One,2010,5(1):e8771-e8771.

[27] Wang P,Yang F J,Du H,et al.Involvement of leptin receptor long isoform (LepRb)-STAT3 signaling pathway in brain fat mass- and obesity-associated (FTO) downregulation during energy restriction [J].Mol Med,2011,17(5-6):523-532.

[28] Bravard A,Vial G,Chauvin M A,et al.FTO contributes to hepatic metabolism regulation through regulation of leptin action and STAT3 signalling in liver [J].Cell Commun Signal,2014,12(1):1-13.

[29] Chen X,Zhou B,Luo Y,et al.Tissue distribution of porcine FTO and its effect on porcine intramuscular preadipocytes proliferation and differentiation [J].PLoS One,2016,10：11(3):e0151056. doi: 10.1371/journal.pone.0151056.

[30] Ehrlich A C,Friedenberg F K.Genetic associations of obesity:The fat-mass and obesity-associated (FTO) gene [J].Clin Transla Gastroenterol,2016,28：7:e140. doi: 10.1038/ctg.2016.1.

Progress on FTO and Adipogenesis

SUN Zong-yang,WANG Jin-quan,MENG Jian-ju,WANG Jun-li

(CollegeofVeterinaryMedicine,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi，Xinjiang，830052,China)

Fat mass and obesity-associated gene (FTO) is closely associated with human obesity.Since the gene is determined,the establishment of a variety of animal models to explore possible links between FTO and obesity link mechanism,many of the early studies focused on the FTO mechanisms of food intake by central regulation.However,the new study found some associations between the development and function of adipose tissue and the FTO and obesity exist,FTO played a role in the formation of fat,the researches include the impact of FTO on fat cell formation,fat formation processes,catalytic role in adipogenesis and the impact of fat formation mechanism.The paper analyzed the impact of FTO on adipose tissue and obesity.With the continuous improvement and development of molecular biology techniques,FTO and obesity and other fat-related enzymes were found,and the study of these enzymes will provide more references for obesity prevention and treatment.

FTO gene; adipose tissue; adipogenesis; lipogenesis; mechanism

2016-07-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31460646)

孫宗揚(yáng)(1990- )，男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事動(dòng)物生長(zhǎng)調(diào)控研究。*通訊作者

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-5038(2017)02-0082-04