综述：从转录后水平精细调控产热作用

《iScience》：Fine-tuning thermogenesis from the post-transcriptional level

本综述系统探讨了产热关键基因在可变剪接、m6A甲基化、mRNA降解、RNA质量监控、非编码RNA及RNA结合蛋白等转录后水平的精细调控机制，揭示了其如何协同决定棕色脂肪组织（BAT）发育及白色脂肪组织（WAT）棕色化（Browning），为肥胖及相关代谢疾病的治疗提供了新的潜在靶点。

　　

引言

在哺乳动物中，脂肪组织是能量稳态调节的关键器官。白色脂肪组织（WAT）主要负责能量储存，而棕色脂肪组织（BAT）则通过产热作用消耗能量。WAT向产热脂肪的转化（即棕色化）是减少脂肪堆积、改善脂质代谢的有效策略。虽然转录水平调控决定了WAT和BAT的分化与转分化命运，但转录后调控为此过程提供了另一层精细的协调。尽管对关键产热基因的转录调控机制已有大量研究，但其在转录后水平的调控作用仍知之甚少。本综述旨在总结关键产热基因的转录后调控机制，包括剪接、m⁶A修饰、RNA降解、RNA结合蛋白（RBP）以及非编码RNA（ncRNA）对产热基因前体mRNA的调控。

产热中的可变剪接

真核细胞中，新合成的初级转录本（pre-mRNA）需经过5’端加帽、3’端加尾和剪接等加工过程才能成为成熟mRNA。可变剪接（AS）能显著增加蛋白质组的多样性，其在产热基因的表达调控中扮演重要角色。可变剪接主要包括外显子跳跃（SE）、内含子保留（RI）、互斥外显子（MXE）以及可变5’/3’剪接位点（A5’SS/A3’SS）等模式。

RNA结合基序蛋白4a（RBM4a）等RBP通过调控产热基因的可变剪接影响BAT发育和WAT棕色化。例如，PR/SET Domain 16（PRDM16）基因可通过外显子跳跃产生两种转录本：包含外显子16的PRDM16L和不包含外显子16的PRDM16s。在BAT早期发育中，PRDM16L占主导，而成熟BAT主要表达PRDM16s，后者对Ucp1基因的转录激活能力更强。丝氨酸-精氨酸蛋白激酶1（SRPK1）、促凋亡染色质凝缩诱导因子1（ACIN1）和肌盲样蛋白1（MBNL1）等RBP也通过外显子跳跃间接影响产热过程。

内含子保留（IR）曾被认为是剪接错误，但其可产生具有新功能的蛋白亚型，或因引入提前终止密码子（PTC）而导致mRNA被无义介导的mRNA降解（NMD）途径降解。丝氨酸/精氨酸富集剪接因子3（SRSF3）的前体mRNA可通过IR产生含PTC的转录本，从而被NMD降解，降低SRSF3蛋白水平，进而影响MAP4K4的剪接并调控产热。此外，IL-33/ST2信号通路缺失时，Ucp1前体mRNA通过使用A3’SS产生一种新型转录本，其编码的UCP1蛋白因缺乏第五个跨膜结构域而无法定位于线粒体内膜，导致功能丧失。

总之，可变剪接作为细胞命运转变的“微调器”而非“决定者”，通过精细调控PRDM16、MAP4K4、ACIN1等关键产热基因的剪接异构体比例，来调节脂肪细胞的产热效能。

RNA甲基化

RNA甲基化，特别是腺嘌呤第6位氮原子上的m⁶A甲基化，是RNA生命周期中动态可逆的重要修饰，由“书写器”（Writers，如METTL3）、“阅读器”（Readers，如YTHDC2）和“擦除器”（Erasers，如FTO）协同调控。

研究发现，m⁶A修饰能精确调控脂肪细胞产热。例如，甲基转移酶样蛋白3（METTL3）通过稳定Krüppel样因子9（Klf9） mRNA，或调控己糖激酶2（Hk2）、磷酸果糖激酶1（Pfk1）和丙酮酸激酶M（Pkm）等糖酵解关键基因的mRNA稳定性，促进WAT棕色化和产热。METTL3还能直接促进Prdm16、Ppary和Ucp1等关键产热基因的mRNA稳定性，从而促进BAT的产后发育和产热功能。Wilms肿瘤1相关蛋白（WTAP）则通过稳定METTL3来促进BAT的发育和产热。

脂肪质量和肥胖相关蛋白（FTO）是重要的m⁶A“擦除器”，其表达与肥胖呈正相关。FTO可通过去甲基化作用降低脂滴包被蛋白5（Plin5） mRNA的m⁶A水平，间接激活产热基因表达。FTO还能去甲基化叉头框蛋白O1（Foxo1） mRNA，增强FOXO1蛋白表达，进而抑制UCP1等产热基因的表达，减少产热。此外，FTO缺失会提高缺氧诱导因子1α（Hif1α） mRNA的m⁶A水平，该mRNA被阅读器蛋白YTHDC2识别并促进其翻译，从而在WAT棕色化过程中激活产热基因转录。值得注意的是，HIF1α在成熟脂肪细胞的慢性缺氧状态下抑制产热，而在WAT转分化相关的急性缺氧中则促进产热，这种功能差异可能与其协同因子和缺氧状态的不同有关。

mRNA衰变

mRNA的稳定性与其半衰期密切相关，mRNA衰变是调控其稳定性的关键环节，主要包括选择性降解异常转录本和一般mRNA周转。

CCR4-NOT复合物是主要的去腺苷酸化酶复合体，在mRNA衰变中起核心作用。该复合物的催化亚基CNOT7与TOB/BRF1异源二聚体协同作用，后者识别并结合Ucp1 mRNA 3’非翻译区（UTR）的AU富集元件（ARE），招募CCR4-NOT复合物，显著增强去腺苷酸化效率，导致Ucp1 mRNA快速降解，从而抑制产热。在高脂饮食（HFD）条件下，Tob或Cnot7基因敲除小鼠表现出对饮食诱导肥胖的抵抗增强，这与Ucp1 mRNA稳定性显著提高以及腹股沟WAT（iWAT）出现明显的棕色化表型相关。

尽管CCR4-NOT复合物广泛表达，但其通过CNOT7-TOB-BRF1轴特异性招募到含有ARE的产热相关mRNA上，实现了对产热的功能特异性调控。这种调控机制在进化上具有保守性。

RNA质量监控

真核细胞通过多种mRNA质量监控机制确保基因表达的准确性，其中无义介导的mRNA降解（NMD）和STAUFEN1介导的mRNA降解（SMD）都依赖于RNA解旋酶UPF1。

在BAT中，RBM4a蛋白利用NMD途径通过两种剪接机制促进产热。其一，RBM4a导致Srpk1前体mRNA发生外显子10跳跃，产生含有PTC的Srpk1 mRNA变异体，进而被NMD系统降解。低水平的SRPK1蛋白有助于产热基因的激活。其二，RBM4a促进Srsf3前体mRNA的内含子保留，产生的PTC导致Srsf3 mRNA被NMD降解，降低SRSF3蛋白水平，从而激活支持产热的剪接程序。

SMD通路中，STAU1结合靶标mRNA 3’UTR的STAUFEN结合位点（SBS），直接招募UPF1，导致靶标mRNA降解。SMD与脂肪细胞分化密切相关，例如STAU1可通过SMD途径降解Krüppel样因子2（Klf2） mRNA，影响脂肪组织分化。虽然NMD在产热中的作用日益明确，但SMD在脂肪组织产热中的潜在作用仍有待探索。

此外，受调节的IRE1α依赖性衰变（RIDD）是内质网应激传感器IRE1α介导的mRNA降解途径。在内质网应激下，活化的IRE1α核糖核酸酶（RNase）可识别并切割含有特定序列（如CNGCNN）的Pgc1α mRNA，从而降解Pgc1α mRNA，抑制米色脂肪细胞中产热程序的激活。

非编码RNA

非编码RNA（ncRNA），包括microRNA（miRNA）、长链非编码RNA（lncRNA）和环状RNA（circRNA），通过调控mRNA稳定性在产热转录后调控中发挥重要作用。

miRNA是一类长约21-23 nt的单链非编码RNA，主要通过结合靶标mRNA的3’UTR，招募RNA诱导沉默复合体（RISC）导致mRNA降解或翻译抑制。例如，miRNA-199a和miRNA-214通过直接靶向Prdm16和Pgc1α mRNA的3’UTR，抑制WAT棕色化。miRNA-130则通过靶向Pparα mRNA的编码序列（CDS）和3’UTR，抑制脂肪细胞分化和产热。相反，miRNA-30b/c通过靶向受体相互作用蛋白140（Rip140） mRNA的3’UTR促进产热。

lncRNA和circRNA则主要作为“分子海绵”吸附特定miRNA，间接解除miRNA对产热基因mRNA的抑制。例如，冷诱导的lncRNA266通过吸附miRNA-16-1-3p，间接增加Ucp1 mRNA表达，促进脂肪细胞棕色化和产热。circNrxn2通过海绵作用吸附miRNA-103，解除其对成纤维细胞生长因子10（Fgf10） mRNA的抑制，从而促进HFD小鼠WAT棕色化。

ncRNA还可通过调控信号通路分子间接影响产热。例如，miRNA-32靶向Transducer of ErbB2 1（Tob1） mRNA的3’UTR，激活p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路，促进关键产热基因表达和WAT棕色化。miRNA-378直接靶向BAT中磷酸二酯酶1B（Pde1b） mRNA的3’UTR，抑制其表达，导致细胞内cAMP水平升高，激活蛋白激酶A（PKA）及其下游信号级联，最终驱动棕色脂肪细胞增殖并增强产热。此外，miRNA-155与C/EBPβ形成负反馈环路，精确调控脂肪细胞成熟和产热。

RNA结合蛋白

RNA结合蛋白（RBP）是产热转录后调控的关键执行者，通过识别特定RNA序列或结构模体，直接结合并调控关键产热mRNA的稳定性、剪接、定位和翻译。

胰岛素样生长因子2 mRNA结合蛋白2（IMP2）是RBP家族成员，对脂质代谢有重要影响。Imp2基因敲除小鼠表现出对饮食诱导肥胖的强烈抵抗、糖耐量改善和胰岛素敏感性增强。在冷暴露下，Imp2^-/-小鼠能量消耗增加，维持核心体温的能力更强。机制上，IMP2通过结合Ucp1 mRNA的UTR抑制其翻译，从而抑制BAT产热。此外，IMP2作为m⁶A阅读器，在2型糖尿病中通过识别并结合m⁶A修饰的Pdx1 mRNA增加其稳定性，但此机制是否参与脂肪组织产热调控尚不清楚。

Y盒结合蛋白家族（YBXs）是含有冷休克结构域的DNA/RNA结合蛋白。YBX1在BAT中高表达，尤其在冷暴露下。YBX1直接结合线粒体自噬关键调控因子PTEN诱导推定激酶1（Pink1）和Parkin RBR E3泛素蛋白连接酶（Prkn） mRNA的CDS区，增加其mRNA稳定性，增强线粒体自噬，正向调控BAT产热。YBX2则直接作用于Pgc1α mRNA的3’UTR区促进其稳定性，进而促进BAT产热。

与直接调控mRNA稳定性的RBP不同，RBM4通过调控上游关键转录调控因子的可变剪接间接调控脂肪产热。在棕色脂肪细胞分化过程中，RBM4促进肌细胞增强因子2（Mef2C）的可变剪接，增加缺乏抑制性结构域的MEF2Cγ-异构体比例，该异构体转录活性增强，可驱动Prdm16、Bmp7和C/ebpp等重要产热基因的表达。此外，在BAT发育和WAT棕色化过程中，跨膜蛋白PREF-1/DLK1具有抑制作用。RBM4通过重编程Pref-1剪接，减少强抑制性异构体Pref-1A和Pref-1B的产生，同时增加弱抑制性异构体Pref-1D的比例，从而减轻Pref-1对产热的抑制作用。

KH型剪接调控蛋白（KSRP）是一种多功能单链核酸结合蛋白。在细胞核内，KSRP识别并结合iWAT中miRNA-150前体的末端环状结构，促进其切割。随后miRNA-150的下调，解除了其对靶标mRNA（如Prdm16和Pgc1α）3’UTR的抑制，最终抑制iWAT棕色化。

讨论

本综述深入探讨了调控脂肪组织产热关键因子的转录后机制。这些精细调控基因表达的机制对于脂肪细胞分化、成熟和功能转换尤为重要。pre-mRNA剪接的准确性确保mRNA编码正确的蛋白质；m⁶A修饰等RNA修饰影响mRNA稳定性和翻译效率；RNA质量监控确保错误转录本被降解；RBP和ncRNA通过与特定RNA序列相互作用，构成复杂的基因表达调控网络；RNA衰变确保异常或功能失调的RNA分子被及时清除。

在脂肪细胞产热过程中，Ucp1作为关键效应分子，其表达受到多层次转录后机制的精确调控。IL-33/ST2信号通路参与调控Ucp1前体mRNA的3’可变剪接，增加编码全长功能性蛋白的mRNA亚型比例，确保UCP1蛋白正确定位于线粒体内膜并保持产热活性。在mRNA稳定性层面，BRF1识别Ucp1 mRNA 3’UTR内的ARE，招募CCR4-NOT去腺苷酸化酶复合体介导mRNA降解，从而抑制产热。此外，IMP2蛋白结合Ucp1 mRNA的UTR区抑制其翻译，负向调控产热。这三种调控机制动态相互作用，形成协同网络，在转录后水平维持UCP1表达稳态和产热代谢平衡。

RBP通过多层次转录后机制实现精细调控。RBM4a作为桥梁，连接可变剪接和mRNA衰变，通过介导Srpk外显子跳跃和Srsf3内含子保留激活NMD途径，这一特异性级联反应促进了脂肪组织产热。此外，RBP直接结合产热基因mRNA的UTR或CDS区调控其稳定性。ncRNA则可负调控RBP mRNA的稳定性，间接影响产热，形成更复杂的转录后调控网络。

值得注意的是，Ucp1 mRNA的表达受到多层次转录后精细调控。相比之下，UCP1非依赖性产热通路的核心组分（如肌酸循环中的肌酸激酶B（CKB）、钙循环中的SERCA2b和sarcolipin、过氧化物酶体通路中的限速酶）是否经历类似的精确转录后控制尚属未知。阐明这一调控全景对于全面理解脂肪产热以及开发靶向这些特定通路的新疗法至关重要。

利用单细胞测序技术将有助于确定同一产热基因在产热细胞中受AS等因素调控所产生的不同转录本的比例，从而为明确转录后调控对基因表达的影响程度提供具体理论依据。mRNA在胞质中自发形成的高级结构对mRNA稳定性和翻译效率至关重要，但mRNA序列及其结合的RBP或ncRNA均可影响mRNA高级结构的形成，mRNA高级结构与转录后调控的关系仍需进一步研究。