冬眠动物体温调节机制：褐色脂肪组织的作用.pdf

兽类学报，2023，43（5）：608-619DOI：10.16829/j.slxb.150772Acta Theriologica Sinica冬眠动物体温调节机制：褐色脂肪组织的作用尚正文1 杨明1 王德华2 邢昕1*（1 沈阳师范大学生命科学学院，沈阳 110034）（2 山东大学生命科学学院，青岛 266237）摘要：褐色脂肪组织(brown adipose tissue,BAT)是哺乳动物特有的适应性产热器官，也是哺乳动物维持恒定体温的重要器官。恒定体温的维持需要付出巨大的能量代价，尤其在环境温度较低的条件下。一些小型哺乳动物通过冬眠这一低体温、低代谢的生理适应策略在食物资源匮乏和(或)环境条件恶劣的情况下有效地减少能量支出。哺乳动物在冬眠期间，体温表现出规律的周期性变化，每个由入眠、深冬眠、出眠和觉醒组成的周期被称为一个冬眠阵。BAT在冬眠动物体温的这一周期变化中扮演重要角色。本文首先介绍了哺乳动物BAT的产热调节机制，包括中枢神经系统对BAT产热的神经支配以及BAT细胞的产热信号的分子通路。随后按照体温调节周期的顺序，介绍了BAT在入眠、深冬眠、出眠和觉醒过程中的产热机制，包括肾上腺素能信号、脂质代谢和线粒体呼吸的作用。最后介绍了储脂类冬眠动物BAT在没有低温和药物刺激条件下发生天然募集的独特表型。关键词：冬眠；褐色脂肪组织；体温调节；肥胖中图分类号：Q494 文献标识码：A 文章编号：1000-1050（2023）05-0608-12The roles of brown adipose tissue in thermoregulatory mechanisms of hibernatorsSHANG Zhengwen1,YANG Ming1,WANG Dehua2,XING Xin1*(1 College of Life Science,Shenyang Normal University,Shenyang 110034,China)(2 College of Life Science,Shandong University,Qingdao 266237,China)Abstract:Brown adipose tissue(BAT)is a unique organ for adaptive thermogenesis of mammals to maintain constant body temperature.Maintaining a constant body temperature is energy costy,especially in cold environments.Hibernation is an effective energy-saving strategy for some small mammals during periods of scarce food resources and/or harsh environmental conditions.During hibernation,the body temperature of mammalian hibernators shows regular periodic cycles,which are called hibernation bouts.One hibernation bout consists of entrance,deep hibernation,arousal and euthermia.In this revew,we introducs the thermoregulatory mechanism of BAT in mammals,including the neural control of BAT thermogenesis by the central nervous system and the molecular pathways of heat production signals in BAT cells.Subsequently,we follow the order of the thermoregulatory cycle to describe the thermogenic mechanisms of BAT during the processes of entrance,deep hibernation,arousal,and euthermia,including the roles of adrenergic signaling,lipid metabolism,and mitochondrial respiration.Finally,the unique phenotype of BAT recruitment in fat-storing hibernating animals was described.Key words:Hibernation;Brown adipose tissue;Thermoregulation;Obesity鸟类和哺乳动物具有高而恒定的体温，恒定体温这一进步性特征使鸟类和哺乳动物减少了对环境的依赖，具有很强的适应性。然而这种适应性 需 要 付 出 巨 大 的 能 量 代 价(Geiser and Ruf,1995)。一些哺乳动物在面临低温、干旱、食物短缺等环境胁迫时不再维持高而恒定的体温，而是通过冬眠(hibernation)这种低体温和低代谢的形式减少能量支出(Geiser and Ruf,1995)。虽然在深冬基金项目：国家自然科学基金(32071518)；北京市脑科学与类脑研究中心合作项目(2020-NKX-XM-09)；北京市自然科学基金(5224039)作者简介：尚正文(1995-)，男，硕士研究生，主要从事动物生理生态学研究.收稿日期：2022-12-31；接受日期：2023-04-12*通讯作者,Corresponding author,E-mail:5 期尚正文等：冬眠动物体温调节机制：褐色脂肪组织的作用眠状态下，动物的体温可以降低到接近环境温度，并且在一定范围内表现出随环境温度变化而变化的趋势，但是冬眠动物在冬眠期间并没有失去对体温的调节能力。哺乳类冬眠动物在漫长的冬眠季节并不会一直保持低体温和低代谢，整个冬眠季 节 被 多 个 自 发 的 阵 间 觉 醒(interbout arousal,IBA)分割为多个冬眠阵(hibernation bouts)。对于典型的季节性冬眠动物来讲，一个冬眠阵最多持续十几天，IBA期间，动物体温、代谢率和其他生理功能快速恢复到冬眠前状态，并且持续大约24 h左右(Heldmaier et al.,2004；杨明等，2011)。了解冬眠期间产热能力变化机制对深入了解冬眠动物体温调节和冬眠启动具有重要意义。哺乳动物体内存在两种脂肪组织，褐色脂肪组织(brown adipose tissue,BAT)和白色脂肪组织(white adipose tissue,WAT)。这两种脂肪组织在结构和功能上存在明显的差异，白色脂肪细胞直径大约 60 130 m，内部被一个巨大的脂滴占据，线粒体含量稀少，而褐色脂肪细胞直径大约 25 40 m，细胞中含有大量线粒体和细小的脂滴。此外，相较于 WAT，BAT 中含有丰富的毛细血管(Lim et al.,2013)。在功能上，WAT是重要的能量储存器官，而BAT是通过燃烧脂肪为机体提供热量的耗能器官(Sakers et al.,2021)。BAT最初在冬眠旱獭 Muris(Marmota)alpinus 体内被发现，被称为冬眠腺(Gessner,1551;Rasmussen,1923)，是哺乳动物特有的适应性产热器官。BAT主要分布在动物的腋下、肩胛间、颈部、肾周等部位(Cannon and Nedergaard,2004)。BAT中分布有细密的毛细血管和丰富的交感神经。与WAT细胞能量储存的功能不同，BAT细胞内具有丰富的线粒体，其线粒体内膜上具有产热分子解偶联蛋白 1(uncoupling protein 1,UCP1)，在低温等环境条件下可作为质子通道，将脂质和碳水化合物等底物氧化分解产生的跨膜质子梯度与三磷酸腺苷(ATP)的合成解偶联，将电势能转化为热量释放。这种不依赖骨骼肌颤抖的产热方式称为非颤抖性产热(non-shivering thermogenesis,NST)，也称为适应性产热(Cannon and Nedergaard,2004;Betz and Enerbck,2015;Bargut et al.,2016;Zhang et al.,2021)。作为哺乳动物重要的适应性产热器官，BAT得到了广泛而深入的研究，关于BAT的系统发育、个体发育、细胞产热机制以及内分泌功能等均有十分详细 的 综 述(Lowell and Spiegelman,2000;Cannon and Nedergaard,2004;Villarroya et al.,2017;Cohen and Kajimura,2021)。国内对BAT研究兴起于20世纪8090年代，王德华和王祖望(1989)首次研究了两种野生啮齿动物根田鼠(Alexandromys oeconomus)和高原鼠兔(Ochotona curzoniae)BAT质量和显微结构的季节性变化，并在1992年对非冬眠动物BAT的组织学和解剖学、BAT功能和产热机制以及影响因素进行了详细的综述(王德华和王祖望，1992)。随后叶祖承和蔡益鹏(1994)也对BAT产热的分子机制进行了系统的综述。BAT 作为一种可以“燃烧脂肪”的脂肪组织，近几年也成为代谢类疾病和肥胖治疗研究中颇有前景的研究靶点。Yuan等(2016)探讨了BAT的调控因子以及在肥胖症中的潜在应用。冬眠哺乳动物具有独特的体温调节模式，BAT在入眠启动和觉醒过程中均起到重要作用。为了保证冬眠期间的产热能力，贮脂类冬眠动物的BAT在冬眠前的育肥阶段便开始募集(Ballinger et al.,2016)。Ballinger和Andrews(2018)从多组学的角度深入阐述了冬眠哺乳动物BAT分化和成熟的分子机制。本文首先阐述了哺乳动物BAT产热机制，然后综述了BAT在冬眠动物入眠、深冬眠维持、出眠和觉醒过程中的产热机制，最后总结了冬眠动物入眠前BAT在没有低温和药物刺激条件下发生天然募集等最新进展。1哺乳动物的BAT产热机制1.1BAT产热的神经支配BAT 产热是响应环境温度变化或者摄食的一种产热机制，用以保护器官免受低温损伤或在摄 食 后 调 节 能 量 平 衡(Lowell and Spiegelman,2000)。由于环境温度下降而导致动物皮肤或体核温度降低是激活 BAT 产热的主要外界刺激(Zeng et al.,2022)。在冷暴露早期，主要的体温调节机制为皮肤中的温度感受器瞬时受体电位(transient receptor potential,TRP)离子通道向中枢发送前馈信号从而进行体温调节(Peier et al.,2002;Kanosue et al.,2010;Wetsel,2011;Tan and McNaughton,2016;Dhakal and Lee,2019)。低温感觉信号从皮肤传递到背根神经节(dorsal root ganglion,DRG)，经背角(dorsal horn,DH)到达脑桥的外60943 卷兽类学报侧臂旁核(lateral parabrachial neucleus,LPB)(Morrison and Nakamura,2019)。LPB 外侧亚区(external lateral subdivision of LPB,LPBel)和 LPB 背侧亚核(dorsal subnucleus of LPB,LPBd)的谷氨酸能神经元将温度信号传输到下丘脑视前区(preoptic area,POA)(Morrison et al,2014;Morrison and Nakamura,2019)(图1A)。以下丘脑POA、下丘脑背内侧核(dorsomedial hypothalamus,DMH)和中缝苍白核(nucleus raphe pallidus,rRPa)为核心，协同DRG、DH、LPB和脊髓中间外侧核(intermediolateral nucleus of the spinal cord,IML)等中枢神经系统区域负责接收、整合外周传入的冷刺激信号，并传出产热信号(Bamshad et al.,1998,1999;Nakamura et al.,2004;Ryu et al.,2015;Francois et al.,2019;Morrison and Nakamura,2019)。在常温条件下，POA 中正中视前核(median preoptic nucleus,MnPO)和内侧视前区(medial preoptic area,MPA)的-氨基丁酸(-aminobutyric acid,GABA)能神经元抑制DMH和rRPa神经元活性(Nakamura and Morrison,2007;Morrison and Nakamura,2019)。而在低温环境下，POA会解图1低温激活BAT产热的神经通路.A：在常温环境下，温度信号从皮肤传入经DRG、DH到达LPBd，LPBd的热感受神经元向POA发送兴奋信号，抑制了DMH和rRPa.B：在低温环境下，冷信号传递到LPBel，LPBel的冷感受神经元向POA发送兴奋信号，激活DMH并向下游发送信号，最终启动BAT产热(Nakamura and Morrison,2007;Morrison and Nakamura,2019;Zeng et al.,2022).DRG：背根神经节；DH：背角；LPBd：LPB背侧亚核；LPBel：LPB外侧亚区；POA：视前区；MnPO：正中视前核；MPA：内侧视前区；vLPO：外侧视前区腹侧；DMH：下丘脑背内侧核；rRPa：中缝苍白核；IML：脊髓中间外侧核Fig.1Cold activates thermogenic neural pathway in BAT.A:In the normal temperature environment,the signals from the skin are afferent to LPBd via DRG and DH,and the warm responsive neurons of LPBd send excitation signals to POA,inhibiting DMH and rRPa.B:At low temperature,the cold signals are transmitted to LPBel,and the cold responsive neurons of LPBel send excited signals to POA,activate DMH and send signals downstream,and finally activate BAT to produce heat(Nakamura and Morrison,2007;Morrison and Nakamura,2019;Zeng et al.,2022).DRG:dorsal root ganglion;DH:dorsal horn;LPBd:dorsal subnucleus of LPB;LPBel:external lateral subdivision;POA:preoptic area;MnPO:median preoptic nucleus;MPA:medial preoptic area;vLPO:ventral part of the lateral preoptic area;DMH:dorsomedial hypothalamus;rRPa:nucleus raphe pallidus;IML:intermediolateral nucleus of the spinal cord6105 期尚正文等：冬眠动物体温调节机制：褐色脂肪组织的作用除对DMH和rRPa中神经元的抑制并提供兴奋性输入。rRPa最终将信号传递到IML中控制BAT产热的交感神经节前神经元以调节 BAT 产热(Nakamura and Morrison,2007;Zeng et al.,2022)。交感神经系统兴奋后，BAT 中的交感神经末梢通过释放去甲肾上腺素(norepinephrine,NE)引发信号级联反应最终导致 BAT 产热的激活(Cannon and Nedergaard,2004)。NE 调节 BAT 产热的主要途径有增强脂肪酶的活性以增加用于线粒体氧化的游离脂肪酸数量，以及增加线粒体中 UCP1 的含量(Nedergaard et al.,2001;Cypess et al.,2015)(图1)。1.2BAT产热的信号传导机制研究表明，脂肪分解是 BAT 产热所必须的，脂肪分解释放的脂肪酸为呼吸链提供燃料并激活UCP1(Betz and Enerbck,2018)。交感神经末梢释放NE作用于BAT细胞表面的-肾上腺素能受体，该受体与G蛋白偶联，之后G蛋白激活腺苷酸环化酶(adenylate cyclase,AC)，从而提高胞内环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)水平，cAMP 进 一 步 激 活 蛋 白 激 酶 A(proteinkinase A,PKA)，随后 PKA 活化激素敏感型脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase,HSL)和脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)，进而将储存的甘油三酯分解为游离脂肪酸，为BAT产热提供底物(Cannon and Nedergaard,2004;Cypess et al.,2015)。脂肪分解本身还可以刺激 BAT产热，通过添加脂肪酸可以使BAT细胞耗氧率增加近 10 倍，而此过程也完全依赖 UCP1(Matthias et al.,2000;Wang et al.,2021)。大多数游离脂肪酸会在细胞内进一步输送，在胞质溶胶中，它们在脂肪酸结合蛋白(fatty acid-binding protein,FABP)和肉碱棕榈酰转移酶1(Carnitine palmitoyl transferase 1,CPT1)的参与下被输送至线粒体内，不仅可以作为反应底物，还可以激活 UCP1(Cannon and Nedergaard,2004)。游离脂肪酸运输到胞质溶胶之后被活化为脂酰CoA，经CPT1、肉碱棕榈酰转移酶 2(Carnitine palmitoyl transferase 2,CPT2)和肉碱-酰基肉碱转位酶(Carnitine-acylcarnitine Translocase,CACT)转运进入线粒体基质(Shinde et al.,2021;Wang et al.,2021)。脂酰CoA经-氧化生成FADH2(还原型黄素二核苷酸)和NADH(还原型电子载体)直接进入呼吸链氧化。质子从线粒体内膜泵出，并形成跨线粒体内膜内外的质子浓度梯度，UCP1 将线粒体内膜外侧的质子转移至线粒体基质，质子浓度梯度所蕴含的电化学能量转变为热能。由于BAT线粒体很少表达ATP合酶，因此底物氧化与ATP合成分离，几乎所有由底物氧化和呼吸链释放的自由能都以热量的形式释放(McFarlane et al.,2017;Wang et al.,2021)(图2)。最新研究表明，褐色脂肪细胞中，由线粒体钙离子单向转运体 MCU、调节性亚基 EMRE和 UCP1一起组成的名为thermoporter的复合体可以通过增加线粒体钙内流和离子转运来增加BAT的产热能力(Xue et al.,2022)。1.3白色脂肪褐色化和BAT募集白色脂肪褐色化和BAT募集对于BAT增加产热能力十分重要。低温是诱导BAT募集的主要条件之一。在低温处理几个小时内，褐色脂肪细胞通过合成新的线粒体和更多的UCP1来增强其产热能力。在低温处理过程中，发生脂肪前体细胞分裂、分化，形成新的褐色细胞，BAT 得到增补(Cannon and Nedergaard,2004;Samuelson and Vidal-Puig,2020;Shinde et al.,2021;Cohen and Kajimura,2021)。作为受交感神经支配的产热器官，BAT在募集过程中会产生新的神经支配(innervation)。冷暴露会导致BAT中去甲肾上腺素能神经元的活性增加和神经纤维分支的发生。最近的研究表明，在BAT细胞的内质网上存在一种哺乳动物特有的膜蛋白 calsyntenin 3，该蛋白通过 S100b 蛋白在BAT细胞产热以及BAT神经发生过程中均起到重要作用(Zeng et al.,2019)。除低温外，最新研究结果表明局部高温也可以促进白色脂肪褐色化(Li et al.,2022)。在参与BAT分化的众多转录因子中，过氧化物酶体增殖物激活受体 共激活因子-1(peroxisome proliferator-activated receptor coactivator-1,PGC-1)的功能是诱导线粒体生物发生和激活UCP1，对于适应冷暴露至关重要(Puigserver et al.,1998;Wu et al.,1999)。冷暴露后PGC-1表达显著增加，敲除褐色脂肪前体细胞中该基因，可以显著抑制肾上腺素能信号介导的UCP1表达水平(Uldry et al.,2006)。除此之外，在小鼠冷暴露时，成纤维细胞生长因子 21(fibroblast growth factors 21,FGF21)在 BAT中局部产生，作为代谢调节剂61143 卷兽类学报增强-肾上腺素能信号传导的下游效应促进产热(Chartoumpekis et al.,2011;Szczepanska and Gietka-Czernel,2022)。Li等(2019)通过比较转录组方法，对比白色脂肪褐色化能力不同的小鼠品系的表达谱，筛选出多个介导白色脂肪褐色化的转录调节因子，为深入理解白色脂肪褐色化过程中的细胞异质性和脂肪组织的可塑性提供了重要线索。运动也可以通过增加活性氧自由基和代谢产物(包括乳酸盐、琥珀酸盐、酮体等)、激活交感神经、促进脂肪分解等途径促进白色脂肪褐色化(Mu et al.,2021)。此外，研究表明甲状腺激素、节律和摄食均参与到白色脂肪褐色化的过程中(Machado et al.,2022)。2冬眠不同阶段BAT产热及其调节2.1冬眠动物的体温调节模式与BAT产热一些哺乳动物在冬季面临巨大的能量胁迫时，为了能顺利存活越冬而间歇性地放弃维持高而恒定的体温，通过冬眠的方式减少能量支出(Ruf 图2交感神经激活褐色脂肪细胞产热.交感神经末梢释放NE作用于BAT细胞表面的-肾上腺素能受体，触发信号级联反应，细胞内cAMP和PKA上调，HSL和ATGL催化甘油三酯脂滴生成分解为游离脂肪酸，为BAT产热提供底物.线粒体中的UCP1将质子转运回线粒体基质，使得底物氧化与ATP合成解偶联，储存在质子梯度中的能量以热能形式释放(Cannon and Nedergaard,2004;Vercellino and Sazanov,2022).NE：去甲肾上腺素；-AR：肾上腺素能受体；Gs：G蛋白亚基 S；cAMP：环磷酸腺苷；PKA：蛋白激酶A；HSL：激素敏感型脂肪酶；ATGL：甘油三酯脂肪酶；TG：甘油三酯脂滴Fig.2The sympathetic nerve activates brown fat cells to produce heat.Sympathetic nerve endings release NE to act on-adrenergic receptors on the surface of BAT cells,triggered signaling cascades,upregulated of intracellular cAMP and PKA,HSL and ATGL catalyze the formation and decomposition of triglyceride lipid drops into free fatty acids,then provided substrates for BAT thermogenesis.UCP1 in mitochondria transports protons back to the mitochondrial matrix,resulting in substrate oxidation and ATP synthesis uncoupling,and the energy stored in the proton gradient is released as heat(Cannon and Nedergaard,2004;Vercellino and Sazanov,2022).NE:norepinephrine;AR:beta adrenoreceptor;Gs:G protein subunit Alpha S;cAMP:cyclic adenosine monophosphate;PKA:protein kinase A;HSL:hormone-sensitive triglyceride lipase;ATGL:adipose triglyceride Lipase;TG:triglyceride droplet6125 期尚正文等：冬眠动物体温调节机制：褐色脂肪组织的作用and Geiser,2015;Mohr et al.,2020)。深冬眠期间，随着体温调定点(body temperature set point,Tset)的降低，动物的体温降低到接近环境温度，并且在一定的环境温度范围内表现出随环境温度变化而变化的特点。达乌尔黄鼠(Spermophilus dauricus)深冬眠期间的热中性区在5 左右(宋晓崴和曾缙祥，1991)；冬眠北极黄鼠(Urocitellus parryii)的热中性区为4 8 (Buck and Barnes,2000)。与外温冬眠动物不同，哺乳类冬眠动物在冬眠期间并没有失去对体温的调节能力，当环境温度低于冬眠动物可以耐受的体温临界点时，动物会通过产热维持一定的体温。例如北极黄鼠在洞穴土壤温度达到6 时，依旧可以通过产热调节将体温维持在2.9 左右(Barnes,1989)。在实验室条件下，当环境温度被控制在16 4 时，北极黄鼠通过大幅度增加代谢率将体温维持在0 左右，环境温度越低，代谢率越高(Buck and Barnes,2000)。此外，哺乳类冬眠动物的冬眠期有多个自发的IBA。IBA将整个冬眠期分割为多个冬眠阵，每一个冬眠阵由入眠、深冬眠、出眠和阵间觉醒 4个阶段组成(Heldmaier et al.,2004)。在出眠过程中，达乌尔黄鼠只需要2 3 h即可将体温从5 左右快速升高到37 (杨明等，2011)，相似的出眠模式在多纹黄鼠(Ictidomys tridecemlineatus)(Hampton et al.,2010)、旱獭(Ortmann and Heldmaier,2000)、北极黄鼠(Barnes and Ritter,1993)、小棕蝠(Myotis lucifugus)(Reeder et al.,2012)等物种中均有报道。冬眠期间BAT产热能力的动态调节对冬眠哺乳动物顺利度过冬眠季节至关重要，因为冬眠动物需要停止BAT的产热以进入深冬眠状态，同时也需要在整个冬眠季节多次利用BAT从冬眠状态中恢复体温(Ballinger and Andrews,2018)(图3)。2.2入眠及深冬眠阶段BAT产热BAT产热受到交感神经控制。在入眠过程中，随着 Tset的降低，BAT的交感神经激活逐渐停止，游离脂肪酸水平降低，BAT线粒体解偶联呼吸开始下降(McFarlane et al.,2017)。当动物进入深冬眠时，交感神经兴奋性降低，有效地阻止了BAT产热，允许体温(body temperature,Tb)在一定范围内随着环境温度变化而变化(Ballinger and Andrews,2018)。然而，如果环境温度继续下降，动物会增加 NST 将 Tb维持在 0 左右(Boyer and Barnes,1999)。在深冬眠状态下，BAT细胞脂质分解作用受到抑制，而线粒体呼吸作用并未受到抑制，在5 的低温下，冬眠状态的金背黄鼠(Callospermophilus lateralis)BAT脂肪分解速率显著低于体温为 37 时，即便增加外源NE刺激也没有显著增加深冬眠状态下BAT的脂肪分解速率(Dark et al.,2003)；当测试温度为10 时，深冬眠多纹黄鼠与阵间觉醒多纹黄鼠的BAT线粒体的呼吸速率并没有显著差异(McFarlane et al.,2017)。2.3阵间觉醒时BAT产热BAT是阵间觉醒早期的主要产热器官(Cannon and Nedergaard,2004;Hampton et al.,2010;Ballinger and Andrews,2018)。在觉醒期间，Tset逐渐上升到 37 左右(Heller and Hammel,1972)，启动BAT激活和产热，这导致在Tb增加之前全身代谢率的大幅增加(Tien et al.,2001)。Hampton 等(2010)通过植入传感器，发现多纹黄鼠从冬眠状态图3小型冬眠动物的年际循环示意图.中心红色区域面积表示体重的峰度图，在育肥阶段持续增长，育肥后期达到峰值.中心绿色区域面积表示BAT质量的峰度图，在育肥阶段持续增长，入眠阶段达到峰值，在冬眠过程中BAT质量逐渐减少Fig.3Diagram of the interannual cycle of a small hibernating animal.The red area in the center represents the kurtosis diagram of body weight,which continues to increase during the fattening stage and reaches a peak in the late fattening stage.The central green area represents the kurtosis diagram of BAT mass,which continues to increase in the fattening stage,reaches a peak in the pre-hibernation stage,and gradually decreases during hibernation61343 卷兽类学报到觉醒过渡的 2 3 h 内，O2消耗量增加了 50 倍(Hampton et al.,2010)。Tien 等(2001)通过测定北极黄鼠觉醒期间O2消耗量和肌电图活动，发现在觉醒期间BAT产热在整个动物代谢中占很大比例，平均耗氧量从1 mL/gh剧增到3 mL/gh 左右，并且此阶段BAT温度升高的幅度超过了直肠温度(Smith and Hock,1963)。血液循环将BAT产生的热量传递到全身各处，动物的 Tb在不到 1 h 内上升20，最终使动物在不到3 h内迅速恢复到正常体温的觉醒状态(Hampton et al.,2010;Schwartz et al.,2015)。BAT产热通过加速体温恢复过程将觉醒的能量成本降低了 60%(Oelkrug et al.,2011)，最大限度地减少了冬眠期间体温恢复的能量消耗。2.4调节冬眠动物BAT产热的因素2.4.1肾上腺素能信号与-肾上腺素能信号、脂质分解和脂质转运有关的基因可能会影响 BAT 在低体温下的产热(Yan et al.,2006;Cypess et al.,2015;Carpentier et al.,2018)。NE 通过-1 肾上腺素能受体(Beta-1 Adrenoreceptor,ADRB1)快速激活BAT，多纹黄鼠BAT 中 ADRB1 在 IBA 的表达显著高于入眠时期(Hampton et al.,2013)，表明IBA期间肾上腺素能信号通路功能增强，有利于迅速响应 NE 信号。ADRB1与G蛋白亚基 S偶联，一旦被ADRB1激活，G蛋白通过激活膜结合的腺苷酸环化酶来刺激cAMP的产生(Cannon and Nedergaard,2004)。而G蛋白亚基 S在非冬眠季节和冬眠不同阶段均具有高水平的表达(Hampton et al.,2013)，表明该蛋白在各个时期均能转导NE信号。利钠肽(natriuretic peptide)受体的激活可诱导类似于-肾上腺素能途径的作用(Bordicchia et al.,2012)。利钠肽受体基因 3 在深冬眠和 IBA 时期表达显著高于入眠期(Hampton et al.,2013)。2.4.2脂质代谢金色中仓鼠(Mesocricetus auratus)在觉醒前30 min BAT的脂质含量显著下降，将消耗的脂质换算为能量则远超过此阶段 BAT 本身能量需求(McKee and Andrews,1990)。表明IBA时期脂肪周转率较高，部分游离脂肪酸可能随血液输送到其他较晚觉醒的组织和器官中。冬眠动物BAT中参与脂质代谢和形成的基因，包括 Patatin样磷脂酶结构域蛋白2、脂滴包被蛋白2、心型脂肪酸结合蛋白、脂肪型脂肪酸结合蛋白、脂肪酸结合蛋白3、CACT、CPT1A、环氧化物水解酶2等在冬眠季节的表达量或蛋白含量均高于非冬眠季节(Hittel and Storey,2001;Hampton et al.,2013;McFarlane et al.,2017;Ballinger and Andrews,2018;Wang et al.,2021)。2.4.3线粒体呼吸线粒体的解偶联呼吸是冬眠期间BAT产热的主要来源(Matthias et al.,2000)。冬眠动物的肝脏、骨骼肌和心肌从 IBA转变到深冬眠时会发生明显的线粒体呼吸抑制(Brown et al.,2011;Brown and Staples,2014;Staples,2014)。与这几种组织不同，BAT线粒体的呼吸链酶活性和BAT细胞的耗氧率在深冬眠和IBA之间没有差异，这表明由IBA向深冬眠转变时不会抑制BAT线粒体呼吸速率(McFarlane et al.,2017)。蛋白质组学结果表明 BAT蛋白质组中最显著的差异发生在春夏恒温和冬眠异温状态之间，与线粒体相关的蛋白质在深冬眠和IBA之间差异十分有限(Hindle and Martin,2014;Grabek et al.,2015b;Ballinger et al.,2016)。犬尿氨酸-3-单加氧酶(Kynurenine 3-Monooxygenase,KMO)催化犬尿氨酸转化为喹啉酸，是线粒体电子传递链中氧化还原辅因子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)的前体(Sas et al.,2007;Smith et al.,2016)，KMO在深冬眠和 IBA 期间表达量远高于入眠阶段(Hampton et al.,2013)。此外，通过分析冬眠多纹黄鼠BAT中mRNA的相对水平，发现在深冬眠期间，BAT产热相关mRNA通过延长poly(A)尾以