脂肪细胞的基础知识

脂肪细胞的基础知识
脂肪细胞的生长全过程及其形态变化脂肪母细胞,就是指能向脂肪细胞分化的ADSCs在激素、生物活性因子、寒冷等因
素刺激下均能逐渐分化成为单能干细胞。

它可保持着干细胞增殖活跃的特性,脂肪母细胞
再进一步分化为前脂肪细胞,即通常人们所说的脂肪细胞前体。

前脂肪细胞再经历细胞融合、接触抑制与克隆扩增等步骤启动向成熟脂肪细胞分化,并在胰岛素、地塞米松等诱导
剂作用下完成向成熟脂肪细胞的分化。

全过程可以表示为:多能干细胞——脂肪母细胞——前脂肪细胞——不成熟脂肪细胞——成熟脂肪细胞。

生长期前脂肪细胞的形态与成
纤维细胞相似,经诱导分化,其细胞骨架与细胞外基质发生变化,开始进入不成熟细胞向成
熟细胞转变。

细胞形态由成纤维细胞样逐渐趋于类圆或圆形,胞体逐渐增大,胞质中开始
出现小脂滴,脂质开始累积,以后小脂滴增多并融合为较大的脂滴,可经油红“O”染色等方
法于显微镜下显色,从而获得成熟脂肪细胞的形态特征。

此时的细胞无分裂增殖能力,为
脂肪细胞分化的终末阶段。

张高娜,梁正翠、动物脂肪细胞的研究进展[J]、饲料工业,2009,30(2):42-44、
脂肪细胞由起源于中胚层的间充质干细胞逐步分化形成,按间充质干细胞→脂肪母
细胞→前脂肪细胞→不成熟脂肪细胞→成熟脂肪细胞的过程发展。

前脂肪细胞在多种转
录因子调控下,激活脂肪组织相关基因,并在这些基因的顺序性调控下,经一系列复杂的步
骤分化为成熟脂肪细胞。

张艳、脂肪细胞分化过程中的分子事件[J]、儿科药学杂志,2008,14(1):56-57、
间充质干细胞
概念:
不同文献中,分别命名为抽脂处理细胞(processed lipoaspirate cells, PLA),脂肪基质微管碎片细胞(stromal vascularfraction cells, SVF),脂肪组织源基质细胞(adipose-tissue derived stromal cells, ATSCs),脂肪源中胚层干细胞(adipose-derived mesodermal stem cells, ADMSCs)等。

这些不一致的名称均指从脂肪组织中分离的、可在体外大量扩增并具有多向分化潜能的细胞。

李惠侠,屈长青、脂肪组织源性干细胞研究进展[J]、生理科学进展,2007,38(2)
脂肪细胞就是由起源于中胚层的间充质干细胞(mesenchymal stem cell, MSC)逐步分化、发育而来,MSC主要分布于脂肪组织与骨髓中。

脂肪细胞不同发育阶段的两类细胞系为多能干细胞系与前体脂肪细胞系,前者为不定向的细胞系,能转变为稳定的脂肪细胞、肌细胞与软骨细胞,后者为定向的细胞系,就是目前体外研究脂肪细胞分化应用最为广泛的细胞系。

庞卫军,李影、脂肪细胞分化过程中的分子事件[J]、细胞生物学杂志,2005,27: 497-500、
脂肪来源的间充质干细胞(adipose tissue derived mesenchymal stem cells, ADMSCs)
间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)具有自我更新及多向分化潜能,就是一
种具有潜力的组织工程种子细胞。

目前研究得比较多的就是骨髓来源的MSCs,但骨髓中
的间充质干细胞数量很少(约占细胞总数的1/105),且存在取材困难等问题。

MSCs广泛分
布于其她组织中,包括肌肉、血管、肝脏、胰腺与脂肪等。

ADMSCs表面有CD29、CD44、CD71、CD90、CD105/SH-2、SH-3、STRO-1等多
种抗原标志。

李冬艳,宇丽、脂肪来源的间充质干细胞分离方法的改进[J]、暨南大学学报(医学版),2007,28(6)、
脂肪源性干细胞(adipose-derived stem cells,ADSCs)
Zuk等从脂肪组织中分离出了一种成纤维细胞样细胞,它与骨髓间充质干细胞(MSCs)形态相似,称之为脂肪干细胞(ADSCs),平均每300 ml脂肪组织可获得2×108～
6×108个这样的细胞。

ADSCs与MSCs具有相同的表现型,对CD29、CD44、CD71、CD70、CD105/SH2与SH3为阳性反应,对CD31、CD34与CD45为阴性反应。

此外,它们还具有
各自特征性的表达分化抗原:ADSCs具有特征性表达分化抗原CD49d,而MSCs具有特征
性表达分化抗原CD106。

张高娜, 梁正翠、动物脂肪细胞的研究进展[J]、饲料工业,2009,30(2)
间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)就是一类具备干细胞特点的细胞系,具有自我更新能力、长期的活性与多系分化潜能。

脂肪来源的间充质干细胞(adipose tissue-derived mesenchymal stem cells,ADSCs),以其
取材方便、来源丰富等多种优势逐渐取代骨髓间充质干细胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cells,BMSCs)。

免疫表型:研究发现ADSCs主要表达CD13、CD44、CD73、CD90、CD105、CD106、CD166、CD29、CD49e与HLA-ABC,而不表达CD34、CD3、CD19、CD45、CD14、CD117、CD31、CD62L、CD95L与HLA-DR。

这个结果与其她的MSCs几乎一致。

但ADSCs与BMSCs也有差别:大部分BMSCs表达CD10,而表达CD10的ADSCs仅占5%～20%;几乎所有的ADSCs表达CD49f与CD54,而BMSCs极少表达。

周苏娜,张明鑫、脂肪来源的间充质干细胞的生物学特征及临床应用[J]、中国现代普通外科进展,2009,12(1)、
不同细胞的表面标志就是不同的,脂肪干细胞的表面标记为:CD9、CD10、CD13、CD29、CD10、CD44、CD49e、CD49d、CD54、CD55、CD59、CD90、CD105、CD107、CD146、CD166等阳性,能够向骨、软骨与脂肪的等多方向分化。

ADSCs表达4种通用多向分化潜能干细胞标记CD105、STRO21、CD166及CD117。

其中CD117就是一种干细胞因子受体,在全能或多能干细胞中表达。

王福科,赵德萍、不同类型血清对大鼠脂肪干细胞分离培养的影响[J]、昆明医学院学报,2010,(3):4-10、
脂肪细胞的分化过程
脂肪组织几乎遍布于全身,在整个生命过程中有极强的可塑性,主要由成熟并充脂的脂肪细胞、无脂的前体脂肪细胞与内皮细胞组成。

现已查明,神经纤维与单核细胞/巨噬细胞也就是其组成成分。

大约2/3的这些细胞可以充分发育为脂肪细胞,在显微镜下呈特有的指环形细胞形态。

脂肪细胞的细胞结构依个体年龄、性别、体重以及来源部位有很大变化。

形态学研究发现,皮下与腹部脂肪有明显不同。

网膜脂肪组织比皮下脂肪组织含更多的血管与交感神经神经纤维,说明前者具有更强的代谢活性。

另外,与皮下脂肪组织比较,网膜脂肪组织的单核细胞/巨噬细胞更多。

人类网膜比皮下脂肪组织脂肪细胞要小。

1脂肪细胞分化历程
1、1 脂肪组织源性干细胞
脂肪细胞的来源及发生时间至今尚不完全清楚。

Kats等分离得到一种成纤维样脂肪组织源性干细胞(adipose-derived stem cells,ADsCs),发现ADsCs与骨髓间充质干细胞一样就
是一种多能间充质干细胞,能够分化为脂肪细胞、造骨细胞、软骨细胞与成肌细胞。

Pittenger 等证实,在培养基中加入异丁基甲基黄嘌呤、地塞米松、胰岛素与吲哚美辛诱导分化,部分ADSCs可分化为脂肪细胞,但就是分化过程中的形态变化如脂滴聚集等比前体脂肪细胞系
表现较晚。

Nakamura等最近也发现,在同样的成脂培养条件下,尽管ADSCs与3T3-L1等脂肪细胞系在分化后期的差异表达基因相同,主要就是一些“脂肪细胞特异基因”,但在ADSCs 分化早期,其差异表达基因与前体脂肪细胞并不相同,主要包括细胞周期相关蛋白
GAS1(growth arrest-specific 1),转录因子锌指蛋白家族(zincfinger protein slug)与
MYC(V-myc avian myelocytomatosis viral oncogene homolog),信号调节因子
CDC42(GTPase-activating protein)、PEE4D(phosphodiesterase4D,camp-specific)及细胞分泌物DKK1等。

Hunga等利用基因芯片技术研究了间充质干细胞分化过程中基因表达变化,发现上述GAS1蛋白等因子在分化早期细胞表达。

这些研究均表明,ADSCs就是一种能分泌瘦素与脂联素的多能干细胞。

但就是ADSCs与前体脂肪细胞的关系,以及调控ADSCs 分化的关键性转录因子等尚不清楚,同时对已发现的差异表达基因的结构与功能也有待进一步研究与探索。

1、2 脂肪母细胞
此阶段实际就是多能干细胞在接受成脂相关刺激,如寒冷、激素、生物活性因子、体外实验性诱导剂刺激后,由多能变为单能定向成脂分化的起始阶段,就是单潜能干细胞(unipotential stem cell)。

此阶段细胞仍具有干细胞增殖活跃的特性。

对此阶段就是否有特异基因表达,尚未见报道。

1、3 前体脂肪细胞
生长期前脂肪细胞的形态与成纤维细胞相似,经适当的分化诱导,其细胞骨架与细胞外基质逐渐发生变化,细胞开始进入由不成熟脂肪细胞向成熟脂肪细胞类型转变的过程。

此时,细胞形态由椭圆形逐渐趋于类圆或圆形,胞体逐渐增大,胞质中开始出现小脂滴,标志着脂质开始积累。

小脂滴不断增多并融合为较大的脂滴,经油红0染色,在显微镜下呈现红色,获得成熟脂肪细胞的形态特征。

一般认为此阶段细胞已无分裂增殖能力,为脂肪细胞分化的终末阶段。

前脂肪细胞阶段作为脂肪细胞的确定前体细胞,人们对它的研究很多。

包括各种实验动物与人皮下白色脂肪组织及血管间充质等部位棕色脂肪组织中的前脂肪细胞、鼠胚胎前脂肪细胞系3T3,以及骨髓来源的前脂肪细胞。

体外实验证明,单能干细胞向此阶段分化的启动,首先就是细胞生长必须停止在细胞周期的G1/S期,而不就是细胞的接触。

该阶段早期特异性表达A2COL6/P0b24mRNA,其序列与人类编码IV型胶原A2链(A2COL6)的基因序列很相似。

但A2COL6/P0b324的表达并不只限于脂肪组织,也可在卵巢、肾上腺、肺、骨骼肌中表达。

A2COL6/P0b324在成脂分化早期表达,以后随晚期特异性分子如GPDH、adipsin 表达的出现而下降,因此它可作为前脂细胞的特异性标志物。

Cousin等以A2COL6/P0b324表达量的差异估计前脂细胞在不同解剖部位棕色脂肪组织(表达解偶联蛋白,UCP)的比例,结果表明卵巢周围脂肪组织A2COL6/P0b324的表达量高于肩胛区、腹肌间及腹膜后的脂肪组织,且其表达与寒冷与肾上腺素能受体激动剂刺激呈正效关系。

前脂肪细胞具有一般体细胞的有丝分裂能力。

脂肪组织增生有两条途径,一就是脂肪细胞通过获取脂肪而使体积增加,另一条就是通过前脂肪细胞数量增加,进而分化成脂肪细胞来实现脂肪组织的增生。

1、4 不成熟脂肪细胞
不成熟脂肪细胞(immature adipose cell),此期细胞形态己趋于类圆或圆形,胞体变大,且胞质中开始出现小脂滴,标志着分化已开始接近终末阶段。

细胞己无分裂增殖能力,该阶段
细胞除表达早期标志性(early marker)分子(A2COL6/P01324)外,还开始表达晚期分化标志性分子,如胰岛素敏感性葡萄糖转运蛋白等。

1、5 成熟脂肪细胞
细胞达成熟脂肪细胞(mature adipose cell/adipocyte)阶段时,成脂分化过程已告结束,胞体更大,更圆,胞内脂滴数量增多,且小脂滴融化成大小不等的脂泡。

细胞亦失去增殖、分裂能力,标志着终末分化(terminal differentiation)。

此期细胞除表达前脂、不成熟脂肪细胞的标志性分子(A2COL6/P01324)外,还表达乙酞辅酶A结合蛋白(ACBP)、磷酸烯醇型丙酮酸激酶(PEPCK)、脂素(adipsin)、A2-肾上腺素受体(A2-adrenoreceptor),这些标志性分子又被称为很晚标志(very later marker)。

2脂肪细胞分化的标志
2、1 脂蛋白脂酶
脂蛋白脂酶(LPL)就是一个60kD的糖蛋白,在脂肪细胞分化早期(前脂肪细胞)即有表达,并随分化进程表达逐渐增加,至分化晚期表达渐趋稳定。

成熟脂肪细胞分泌的LPL经载脂蛋白Apo-CII激活后,能够水解乳糜微粒与极低密度脂蛋白中的甘油三醋,产生可直接作为能源的游离脂肪酸,并在能量代谢与脂质积聚过程中发挥重要作用。

脂肪细胞分化早期LPL就是否具有上述功能意义尚不清楚,但由于ADSCs在分化为前脂肪细胞阶段缺乏LPL 的表达,因此LPL作为促进脂肪细胞分化的重要因子之一,已成为干细胞分化为前脂肪细胞的经典标志。

2、2 前脂肪细胞因子
与LPL不同,前脂肪细胞因子(Pref-1)则就是脂肪细胞分化早期具有分化抑制作用的分子标志。

Pref-1标志出现于前脂肪细胞阶段,其mRNA在前脂肪细胞阶段具有较高的表达水平,随分化进程其表达则迅速下调。

Pref-1的持续高表达可明显抑制脂肪细胞分化,而其表达抑制则明显增强脂肪细胞的分化,提示Pref-1在前脂肪细胞向成熟脂肪细胞分化过程中就是一个重要的抑制性分子标志。

研究表明Pref-1为跨膜蛋白,其胞外区有6个连续的表皮生长因子样结构域,可形成可溶性的活性因子,通过抑制P42/P44MAPK通路,阻断胰岛素样生长因子受体的信号转导,抑制脂肪细胞分化。

2、3 脂肪细胞分化的晚期标志
脂肪细胞分化进入终末分化阶段,各种晚期分子标志也开始出现,主要包括:(l)甘油三酯代谢相关的酶类,如乙酞辅酶A脱羧酶、甘油三磷酸脱氢酶、脂肪酸合成酶等;(2)激素相关蛋白,如胰岛素敏感性葡萄糖转运蛋白、胰岛素受体、β肾上腺素能受体等;(3)成熟脂肪细胞特异产物,如脂肪细胞脂结合蛋白、激素敏感酯酶、脂肪酸转运蛋白、脂周素、瘦素、脂素、脂联素(acrp30)与抵抗素等,其中尤以脂联素、抵抗素(resitin)近来备受关注。

2、4 acrp30
作为成熟脂肪细胞特异表达的蛋白,acrp30在脂肪细胞分化中的作用及其意义近来受到广泛关注。

acrp30又称adiponectin,基因序列与补体因子C1q有较高同源性,就是一个30kD的分泌性蛋白。

acrp30由信号序列、可变区、N端胶原结构域与C端球形域组成,可通过胶原结构域形成同源三聚体等活性形式,并通过球形结构域发挥生物学功能。

重组
acrp30可显著降低肥胖动物体内的血糖与游离脂肪酸、增强脂肪酸氧化、减轻体重与改善胰岛素敏感性。

肥胖与胰岛素抵抗患者血浆acrp30水平显著降低,但经胰岛素增敏剂治疗后,血浆acrp30浓度明显上升,胰岛素抵抗症状显著改善,提示acrp30可能就是肥胖及胰岛素抵抗发生机制中的重要保护因子。

2、5 抵抗素
抵抗素就是脂肪细胞分化晚期释放到胞外的一种特异性信号分子,与肥胖患者胰岛素抵抗症状的出现关系密切。

抵抗素的N端为信号,其余94个氨基酸多肤含有11个高度保守的半胱氨酸残基序列,并通过二硫键形成同源多聚体后才具生物活性。

研究发现,高脂饮食性或遗传性肥胖小鼠血清抵抗素浓度明显升高,禁食或应用抗糖尿病药物后其血清浓度及体外培养脂肪细胞中抵抗素表达显著下降;重组抵抗素能使正常小鼠出现胰岛素抵抗症状,而抵抗素抗血清的使用能够显著改善胰岛素抵抗症状,因此抵抗素作为胰岛素抵抗与肥胖的纽带一直倍受重视。

但也有研究持不同观点,有关抵抗素与脂肪细胞分化调控及胰岛素抵抗之间的关系尚需进一步研究。

3前体脂肪细胞分化
前脂肪细胞系与原代前脂肪细胞具有分化为成熟脂肪细胞的能力。

待分化的细胞具有一切正常细胞所具有的包括生长与有丝分裂在内的细胞周期,而开始进入分化的前提就就是退出此细胞周期。

一般将待分化的细胞退出细胞周期的现象称为生长抑制(growth arrest),脂肪细胞分化也以生长抑制作为前提条件。

生长抑制之前,前脂肪细胞经历一个细胞汇合(confluence)的阶段,但这种细胞间接触并不就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在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)与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与能在甲基异丁基黄嘌呤(MIBX)的诱导下增殖,而这两个特征就是处于Gs与Gn期的细胞所不具备的。

生长抑制之后,前脂肪细胞在合适的促有丝分裂与促脂肪生成信号(主要就是激素类)的作用下,经过至少一轮的DNA复制与细胞加倍(cell doubling),进入一种无性增殖阶段,此过程称为无性扩增(clonal expansion)。

无性扩增就是3T3-Ll前脂肪细胞向成熟脂肪细胞分化的必要前提。

无性扩增的意义在于细胞通过增殖而为快速分化打下基础。

对3T3-F442A 小鼠前脂肪细胞系进行体外培养发现,在培养基中原来都相互分散的细胞,培养一段时间以后有一些通过增殖而形成了细胞簇,每个细胞簇一般有4-12个细胞,而另外一些则仍然以单个细胞存在。

细胞簇中的细胞大多数都积累了脂肪,而单个存在的细胞一般都没有脂肪生成。

但来源于人脂肪组织的原代前脂肪细胞的表现有所不同,比如对此细胞的有丝分裂进行抑制并不能影响其向脂肪细胞的分化。

这种现象说明无性扩增可能并不就是脂肪细胞分化的必不可少的步骤,或者可以说此步骤对细胞分化的重要性对所有来源的脂肪细胞并不都就是一样的。

经历(或不经历)无性扩增的前脂肪细胞开始表现出脂肪细胞的某些特征,这个阶段可瞧成就是分化的早期阶段。

此时都发生了哪些事件以及这些事件的确切顺序,现在还不很清楚;此外对脂肪细胞分化的研究都就是在体外进行的,因此细胞分化的模式也受到材料来源、培养基、培养条件等的影响。

Ailhaud等认为脂蛋白脂酶(LPL)的表达就是脂肪细胞分化的早期标记,LPL的表达预示着脂肪积累的开始。

但LPL的表达就是在细胞汇合时自然
发生的,不受脂肪细胞分化所必需的各种介质就是否存在的影响;LPL的表达也不就是脂肪细胞所特有的,其它类型的间质细胞如心肌细胞与巨噬细胞也能合成与分泌LPL。

以上现象说明LPL只能作为脂肪细胞分化的一个早期参考性标一记,而不能作为特异性标记。

目前比较普遍接受的就是过氧化物酶体增殖物激活受体(PPARs)与CCAAT增强子结合蛋白(CCAAT,C/EBP)可以作为脂肪细胞分化的早期标记。

二者中的主要异构体就是脂肪细胞与脂肪组织所特有的,它们在前脂肪细胞中就能检测到,在加入诱导分化的激素或介质之后表达迅速增加,在成熟的脂肪细胞中达到最高水平。

细胞骨架成分与细胞外基质成分种类与水平也伴随着脂肪细胞分化的早期阶段而变化,例如在脂肪细胞分化的早期检测到肌动蛋白与微管蛋白表达减少。

随着分化的进行,细胞形状也从成纤维细胞形逐渐变成近圆形与圆形。

现在认为细胞形态的变化就是分化过程中必须经历的一步,而不仅仅就是脂类积累的结果。

比如,设法阻断脂肪酸的合成,使脂类积累不能实现,仍可以观察到3T3-Ll前脂肪细胞经历形态学上的变化,因此细胞形态的变化也就是脂肪细胞分化的早期标记之一。

脂肪细胞分化的早期还有其她一些可能的标记,如胶原蛋白表达水平的变化,前脂肪细胞因子(pref-1)的表达变化等。

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,也获得了对胰岛素等激素的敏感性。

这时最主要的标志就是与三酸甘油代谢关系密切的酶的活性显著增加,可增加到10-100倍。

这些脂肪代谢相关的酶包括ATP柠檬酸裂解酶、乙酰辅酶A羧化酶、脂肪酸合成酶、3磷酸甘油醛脱氢酶等。

此时的其它变化还有:葡萄糖转运蛋白与胰岛素受体数目增加,瘦素(Leptin)开始合成,一些脂肪组织特有的产物开始合
成或加速合成,如脂肪酸结合蛋白、脂肪酸运转蛋白、脂被蛋白、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随后的最终分化;一旦进入最终分化,则既不能去分化,也不能重新进入有丝分裂。

因此,失去增殖能力就是脂肪细胞进入最终分化的标志。

虽然,过去认为的前脂肪细胞的克隆增殖发生在分化前,一旦细胞进入终末分化期,就不再分裂增殖,即成熟脂肪细胞不再具有分裂增殖能力,人与动物在出生或一定年龄后脂肪细胞数目恒定的观点受到挑战,卢慧玲等(2003)用激素鸡尾酒诱导法诱导分化的部分3T3-L1成熟脂肪细胞具有双核,仍具有分裂增殖的能力,但作为终末细胞的成熟脂肪细胞能否再分裂、增殖,目前尚无定论。