《Cell Biochemistry and Function》：The Mechanobiology of Adipocyte Hypertrophy: Cytoskeletal Remodelling as a Driver of Insulin Resistance in Obesity
脂肪细胞肥大带来一项重要的机械挑战——脂肪细胞体积可增加高达千倍，同时仍维持其结构完整性。尽管脂质代谢已被广泛研究，但关于细胞骨架适应这种扩张所需的改变及其导致的病理后果却知之甚少。本综述批判性审视了细胞骨架重塑如何与胰岛素抵抗相关联。研究人员探讨了机械转导通路（如YAP/TAZ）如何被触发——当皮质肌动蛋白（cortical actin）转变为应力纤维（stress fibres）时，这些通路会抑制成脂基因的表达。本综述还讨论了微管网络在脂滴融合中的作用，以及调节脂解（lipolysis）的波形蛋白笼（vimentin cage）。此外，研究人员强调了Septin家族（SEPT）的新兴作用，特别是SEPT7相互矛盾的开成脂与抗成脂作用，其中SEPTs可能作为脂肪细胞扩张的分子制动器。研究人员得出结论，肥胖诱导的胰岛素抵抗部分归因于细胞骨架力学的失败，这使得细胞骨架调节因子成为代谢疾病的潜在治疗靶点。
1 引言
肥胖是一种全球健康危机，脂肪组织扩张通过两种主要机制实现：脂肪细胞增生（hyperplasia）和脂肪细胞肥大（hypertrophy）。与增生不同，肥大对成熟脂肪细胞施加了显著的结构和功能压力。适度的肥大扩张代表了对正能量平衡的健康适应性反应，但慢性或过度的脂质超载会导致病理性过度扩张，这是代谢功能障碍的主要原因。随着细胞体积扩大，会引发慢性细胞应激，包括线粒体损伤、内质网应激以及质膜的机械应变。在小鼠3T3-L1来源的脂肪细胞中进行的实时生物物理测量表明，分化脂肪细胞的机械特性取决于其成熟水平，并且由于细胞内脂滴积累，刚度显著增加。脂质超载的肥大细胞还表现出钙和胆固醇晶体积累等其他关键异常，通过促炎性细胞焦亡（pyroptosis）触发细胞死亡。脂肪细胞的物理扩张与全身性胰岛素抵抗的发作直接相关。在成人肥胖中，肥大是促进脂肪组织生长的主要过程，尤其是在内脏区域。
过度增大的脂肪细胞由于氧气扩散距离增加而形成了缺氧的组织环境。这种局部缺氧稳定了缺氧诱导因子1α（HIF-1α），其启动促纤维化转录程序，改变细胞外基质（ECM）组成。由此产生的致密ECM网络使组织微环境刚性化，产生一种病理性僵硬表型，包裹扩张的脂肪细胞并限制进一步的健康扩张。肥大的脂肪细胞增加了脂肪因子和细胞因子的分泌，这需要分泌途径的适应。肥大的脂肪细胞还增加促炎细胞因子如TNF-α和IL-6的分泌，导致慢性低度炎症，并与脂肪细胞直径增加直接相关。当脂肪细胞达到最大储存容量时，代谢平衡转向慢性脂肪酸流出状态。这是由于基础脂解增加以及胰岛素抵抗导致无法通过PDE3B/cAMP通路抑制脂肪酸释放。在健康脂肪细胞中，胰岛素通过促进磷酸二酯酶3B（PDE3B）激活来抑制脂解，该酶降解环磷酸腺苷（cAMP）。当cAMP水平降低时，激素敏感性脂肪酶（HSL）失活，防止储存的甘油三酯分解。当脂肪细胞发生胰岛素抵抗时，胰岛素无法刺激PDE3B，cAMP水平升高，激活蛋白激酶A（PKA），进而磷酸化HSL并间接通过 perilipin 激活脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL），导致甘油三酯酶解释放游离脂肪酸进入血液。这导致肝脏、心脏和肌肉等器官中异位脂肪积累，引发炎症并损害全身葡萄糖代谢，导致以脂毒性为特征的全身性胰岛素抵抗。
尽管在理解调节脂肪细胞功能的代谢和信号通路方面取得了显著进展，肥胖仍然是一种复杂、慢性且易复发的疾病，目前尚无简单的治愈疗法。当前的药物治疗，如胰高血糖素样肽-1（GLP-1）、葡萄糖依赖性促胰岛素多肽（GIP）和胰高血糖素受体激动剂，靶向营养刺激的激素通路以有效控制食欲和体重。然而，它们作为肥胖的长期管理工具而非永久治愈手段，因为停止治疗后常导致代谢适应和体重反弹。此外，这些治疗并不直接解决与肥胖相关的脂肪细胞结构和机械功能障碍。
尽管肥胖中的代谢通路已被广泛研究，但脂肪细胞肥大相关的物理和机械挑战常被忽视。在成熟白色脂肪细胞中，细胞核和细胞质被压缩成薄皮质边缘，为占据高达95%以上细胞体积的巨大单室脂滴腾出空间。这对细胞构成了机械挑战，必须足够灵活地扩张体积高达千倍，同时维持稳态和结构完整性以防止细胞功能障碍。为了支持这些变化并避免在极端肥大过程中发生机械失败，细胞骨架（肌动蛋白丝、微管、中间丝和SEPTs的动态网络）经历了广泛重塑。
为了开发肥胖和肥胖相关糖尿病的疗法，必须超越代谢酶，理解控制脂肪细胞扩张的细胞机制。细胞骨架通常被视为被动的结构支架。本文讨论了最新数据，表明细胞骨架主要作为机械传感器，将脂滴扩张的物理应变转化为控制细胞命运的生物化学信号。通过将细胞骨架动力学与代谢调节联系起来，本综述试图确定特定靶点，以将胰岛素抵抗与肥胖解偶联，使脂肪组织能够扩张而不触发相关的代谢障碍。为此，研究人员提出脂肪细胞肥大可被视为一种顺序性机械失败：首先，细胞必须感知物理拉伸（肌动蛋白）；其次，尽管存在物理压缩，必须维持细胞内运输（微管）；第三，在扩张过程中必须保持机械和结构完整性（波形蛋白）；最后，必须使用分子制动器防止病理性过度扩张（SEPTs）。通过将这些过程组织为对机械压力的协调反应，可以更好地理解细胞骨架功能障碍如何作为物理性肥胖与代谢性胰岛素抵抗之间的桥梁。
2 肌动蛋白细胞骨架：从停靠站到机械传感器
在脂肪细胞中，肌动蛋白丝产生维持脂肪细胞结构所需的张力。传统上，它们仅被视为GLUT4囊泡运输的轨道，皮质肌动蛋白网络与质膜协同抵抗细胞扩张过程中的结构应变。最近的证据表明，肌动蛋白网络与Piezo1等机械敏感离子通道共同构成细胞的主要机械传感器，将肥大的物理应变转化为调节脂肪组织重塑的转录程序。在严重扩张期间，这种机械敏感装置的病理性过度激活触发慢性炎症通路，最终驱动胰岛素抵抗。为了理解机械力如何调节脂肪细胞生理，必须清楚区分扩张脂滴施加的内在应变与组织微环境施加的外在约束。
2.1 内在力：脂滴扩张与皮质应变
在探讨病理性肥大之前，了解健康成脂作用所需的细胞骨架动力学至关重要。前脂肪细胞具有成纤维细胞样形状，带有致密的肌动蛋白应力纤维网络。为了分化成具有球形形状的成熟脂肪细胞，细胞将致密肌动蛋白网络重组为更皮质的排列，以适应巨大的单室脂滴。这种重塑是一个严格调控的过程，涉及肌动蛋白基因表达的显著下降。
肌动蛋白应力纤维的破坏是诱导主成脂基因PPARγ所必需的。在小鼠前脂肪细胞中，高RhoA-ROCK信号活性维持肌动蛋白应力纤维以抑制成脂作用，这促进转录共激活因子MKL1（也称为MRTF-A）的核转位，作为PPARγ的阻遏物。分化诱导导致RhoA-ROCK信号下调，引起单体G-肌动蛋白增加。G-肌动蛋白将MKL1隔离在细胞质中，阻止其核转位，从而解除对PPARγ的抑制。肌动蛋白应力纤维的解组装和随后的皮质肌动蛋白结构形成对于终末分化至关重要，该过程受胰岛素-PI3K-Rac1信号通路和整合素介导的ECM相互作用调节。
脂肪细胞分化过程中的肌动蛋白重塑由多种肌动蛋白结合蛋白调节。在人类基质细胞分化为脂肪细胞期间，肌动蛋白丝经历去聚合和重塑，去聚合受肌动蛋白去聚合因子Cofilin-1调节。另一种肌动蛋白结合蛋白Cotl1（Coactosin样F-肌动蛋白结合蛋白）也被发现对成脂作用至关重要。当小鼠或前脂肪细胞系中Cotl1被删除或沉默时，脂质积累减少，细胞分化为成熟脂肪细胞受到抑制。Cotl1缺陷小鼠（Cotl1?/?小鼠）还表现出对高脂饮食诱导的体重增加抵抗，脂肪细胞增大减少和肝脏脂肪积累减少。这些小鼠也表现出比野生型小鼠改善的葡萄糖耐受和胰岛素敏感性，表明对相关的代谢疾病有保护作用。Cotl1控制关键成脂PPARγ基因表达的连接进一步强调了肌动蛋白动力学与代谢基因调节之间的联系。
在成熟、胰岛素敏感的脂肪细胞中，丝状肌动蛋白（F-actin）在质膜正下方形成致密的皮质网络。皮质肌动蛋白有助于GLUT4囊泡与质膜的对接和融合，允许葡萄糖进入细胞。尽管有这一关键作用，关于脂肪细胞肥大过程中肌动蛋白网络重塑的报道存在矛盾。有研究报道肥大小鼠脂肪细胞中总细胞F-actin显著增加，这与Rho激酶活性增加以及促进聚合的肌动蛋白调节蛋白的表达和磷酸化变化有关。
这些肌动蛋白聚合动力学变化还将细胞结构与其代谢功能联系起来。在原发性人类脂肪细胞和肥大小鼠脂肪细胞中，G-actin聚合成刚性F-actin应力纤维耗尽了细胞质中单体G-actin的量。这导致MKL1/MRTF-A从其细胞质锚定物中释放，然后转位到细胞核中。在核内，MKL1抑制PPARγ及其下游靶基因的表达，这些基因与成脂作用、胰岛素信号转导和葡萄糖转运相关。F-actin的增加是一种结构变化，有助于适应细胞更大的尺寸。细胞大小的增加也与受损的胰岛素信号和胰岛素刺激的葡萄糖转运相关。重要的是，当喂食高脂饮食的小鼠切换到正常饮食时，脂肪细胞大小、胰岛素反应和F-actin水平都恢复到正常水平，这意味着饮食诱导的变化是可逆的。
相反，有研究报道在脂肪细胞皮质区域F-actin减少而球状（G）-肌动蛋白增加。在肥大过程中，当脂肪细胞发育出单个大的单室脂滴时，细胞失去对胰岛素适当反应的能力。具有大而单室脂滴的肥大脂肪细胞在GLUT4向质膜运输中存在缺陷，导致胰岛素依赖的葡萄糖摄取受损。该研究得出结论，皮质肌动蛋白网络的解体和F-actin与G-actin比率的变化抑制了GLUT4囊泡的正确运输和对接，阻止葡萄糖摄取，导致胰岛素抵抗。
尽管这两项研究结果看似矛盾，研究人员提出它们代表了脂肪细胞扩张过程中肌动蛋白细胞骨架的空间重新分布。一项研究观察到整个脂肪细胞中F-actin的总体增加。研究人员提出，细胞通过聚合肌动蛋白成刚性应力纤维来补偿肥大期间产生的大机械应变。刚性应力纤维提供了容纳扩张脂滴和增加细胞体积所需的结构支持。相比之下，另一项研究关注脂滴扩张时细胞皮质处F-actin的局部减少。皮质F-actin的减少抑制了葡萄糖转运蛋白的运输，导致胰岛素抵抗。因此，上述两项研究表明，在肥大过程中，即使细胞的总F-actin质量增加，细胞皮质的F-actin网络也被破坏，这是代谢功能障碍的直接原因。
2.2 外在约束：细胞外基质与机械限制
与脂肪细胞肥大相关的机械应力不仅来自脂滴积累的内部压力，还来自周围细胞外基质（ECM）施加的外部机械约束。胶原蛋白VI（Collagen VI）是一种关键的ECM成分，其在肥胖中表达增加并与人类胰岛素抵抗直接相关。它在单个脂肪细胞周围形成笼状结构，限制细胞向外扩张。这种细胞约束被其他胶原蛋白（如胶原蛋白I和III）的致密间质网络放大。如前所述，局部缺氧稳定HIF-1α，启动促纤维化程序，增加纤维状胶原蛋白和赖氨酰氧化酶（LOX）的表达。肥胖相关的AMPK下调增强TGF-β信号和LOX表达，显著加速胶原交联。这种致密交联的ECM网络使组织微环境刚性化，建立一种包裹扩张脂肪细胞的病理性僵硬表型。外部机械限制施加的力不同于扩大脂滴施加的内部压力。内部脂质积累对质膜产生拉伸应力，而外部ECM刚性激活特定的整合素介导的机械转导通路、黏着斑激酶（FAK）信号和机械敏感离子通道。这种外部阻力的生理后果在胶原蛋白VI-null（col6KO）小鼠中得到研究。在没有胶原微原纤维笼的情况下，脂肪细胞扩张成巨大细胞而经历严重机械应力。这种无应力扩张使胶原蛋白VI-null小鼠尽管喂食高脂饮食仍保持代谢健康和胰岛素敏感。这表明胶原蛋白VI的病理性积累是肥胖中机械和代谢失败的关键因素。因此，刚性ECM施加的物理限制与脂质积累导致的细胞扩张共同构成脂肪细胞细胞应激、随后细胞死亡和慢性低度炎症的主要因素。
2.3 机械转导：Piezo1-肌动蛋白-YAP/TAZ轴
ECM的外部压力迫使细胞内细胞骨架重塑，因为脂肪细胞试图感知并适应其刚性环境。这种重塑的核心是肌动蛋白应力纤维的形成，这不仅是适应脂滴体积增加所需的结构适应，也是调节细胞命运的关键信号事件。最近的研究确定机械敏感离子通道Piezo1是触发脂肪细胞肥大变化的主要传感器。Piezo1作为启动细胞骨架重塑和YAP/TAZ核转位的主要上游传感器。当细胞膜因脂肪细胞扩张而拉伸时，Piezo1通道打开，允许钙离子（Ca2+）内流。高细胞内钙激活RhoA/ROCK通路，诱导肌动蛋白聚合和肌动球蛋白收缩力增加，从而增加细胞内张力。细胞骨架张力不仅限于细胞质，还传递到细胞核。这种力导致核孔打开，促进机械敏感转录调节因子的核转位。
研究表明，Hippo信号通路是细胞骨架张力与维持成熟脂肪细胞表型之间的关键分子联系。Hippo通路的效应器YAP（Yes-associated protein）和TAZ（transcriptional co-activator with PDZ-binding motif）作为代谢组织中细胞刚度的主要传感器。肥大脂肪细胞中肌动蛋白细胞骨架刚度增加阻止了转录共激活因子YAP和TAZ的磷酸化。未磷酸化的YAP/TAZ从细胞质移动到细胞核。肌动蛋白细胞骨架与细胞核之间的物理连接帮助YAP/TAZ到达细胞核。此外，刚性肌动蛋白对核膜施加的张力导致核孔扩大，从而加速YAP/TAZ进入。在核内，TAZ作为PPARγ的直接转录共阻遏物，而YAP不直接结合PPARγ。YAP通过结合TEAD转录因子抑制成脂作用，诱导下游基因表达，信号细胞增殖而不是分化为脂肪细胞。YAP/TAZ在成脂作用中的这一关键作用被最近的研究进一步证实，表明YAP/TAZ激活可抑制PPARγ，并可能通过使成熟脂肪细胞去分化为祖细胞样细胞来减少脂肪量。PPARγ的抑制通常与胰岛素抵抗相关。通过结合配体结合域，TAZ阻止PPARγ招募共激活因子，从而抑制胰岛素增敏基因。脂肪细胞肥大增加肌动蛋白细胞骨架张力，促进YAP/TAZ核积累，进而抑制成脂和胰岛素增敏基因。
尽管TAZ通常被认为是成脂作用的抑制因子，但其功能是环境依赖的。最近一项使用山羊脂肪来源干细胞（gADSCs）的研究挑战了TAZ经典的促成脂作用功能。该研究发现，在成脂分化早期阶段，TAZ表达增加，最可能发生在肥大发生之前。TAZ激活不是抑制主调节因子PPARγ，而是促进AKT磷酸化并激活PI3K/AKT信号通路。通过激活驱动胰岛素信号和细胞生长的PI3K/AKT信号通路，TAZ过表达积极促进gADSCs的成脂作用，揭示了TAZ在脂肪细胞发育中阶段特异性的正调节作用。
相比之下，在经历严重机械应力（由于肥大和细胞骨架僵硬）的成熟脂肪细胞中，YAP/TAZ通过抑制PPARγ降低脂肪细胞储脂能力。小鼠模型中的研究解释了为什么这种机械应力不会导致代谢障碍。通常，当脂肪量减少时瘦素水平下降。然而，该研究发现，除了增加脂质储存外，YAP/TAZ还能激活瘦素基因。高水平瘦素促进能量释放和脂解，从而预防糖尿病等代谢障碍。YAP/TAZ的这种保护机制将瘦素表达与脂肪量解偶联，确保即使脂肪细胞因机械应力失去储存功能，仍维持高瘦素水平以保留全身胰岛素敏感性。因此，细胞骨架-信号相互作用根据脂肪细胞的发育阶段改变细胞特性。在脂肪细胞早期发育过程中，这种相互作用允许TAZ介导的AKT信号促进生长，而在肥大成熟脂肪细胞中，细胞张力将轴转向PPARγ抑制和胰岛素抵抗，这被张力诱导的瘦素挽救机制平衡。
上游机械传感器Piezo1的功能也是环境依赖的。在小鼠内脏脂肪组织中，Piezo1作为促成脂因子，其机械拉伸触发成纤维细胞生长因子1（FGF1）释放。FGF1信号通过FGFR1驱动前体细胞分化并促进脂质储存。但在血管周围脂肪组织（PVAT）和眼眶成纤维细胞中，Piezo1刺激具有抗成脂作用，帮助维持细胞处于成纤维细胞样状态并抑制关键成脂标志物如PPARγ。除了分化，Piezo1在已形成的肥胖中也是脂肪细胞肥大的关键传感器。随着成熟脂肪细胞扩张，由此产生的机械拉伸激活Piezo1，启动类似于Hara等人描述的拉伸诱导RhoA恶性循环的病理反应。这种Piezo1激活驱动促炎细胞因子如IL-6和TNF-α的分泌。这些细胞因子作为内分泌干扰物，损害外周组织的胰岛素信号，导致全身性胰岛素抵抗。在患有肥胖和2型糖尿病的人类个体中，Piezo1在内脏脂肪中的水平显著升高，并与这些炎症标志物直接相关，证实piezo通道将肥胖的机械应力转化为代谢功能障碍。
2.4 肌动蛋白重塑在脂肪细胞中的治疗意义
研究表明，抗糖尿病药物罗格列酮（Rosiglitazone）靶向肌动蛋白细胞骨架以促进胰岛素信号，这一机制不同于其经典的核受体活性。在肥大脂肪细胞中，皮质肌动蛋白网络变硬并形成致密物理屏障，阻止GLUT4囊泡转位到细胞表面。罗格列酮增加肌动蛋白动力学和肌动蛋白调节蛋白的细胞内水平，降低皮质肌动蛋白网络的刚度并释放细胞骨架张力。肌动蛋白网络的重组有助于GLUT4囊泡在质膜处融合，导致胰岛素刺激的葡萄糖摄取。这表明肌动蛋白动力学可用作逆转胰岛素抵抗的治疗靶点。
除了药物制剂，结构蛋白也能发挥保护作用。有研究确定了一种通过调节脂肪细胞黏附分子（ACAM）表达来预防肥胖和胰岛素抵抗的新机制，ACAM影响脂肪细胞中的肌动蛋白聚合。过表达ACAM的小鼠免受高脂高蔗糖饮食诱导的肥胖和糖尿病。与对照小鼠相比，ACAM过表达小鼠体脂显著减少，脂肪细胞更小，胰岛素敏感性更好。ACAM介导的细胞黏附导致脂肪细胞内肌动蛋白聚合增加。作者假设，ACAM介导的F-actin聚合产生细胞骨架刚性，防止脂肪细胞肿胀和变得过大，使其保持在较小、代谢健康的状态，预防导致代谢疾病（如糖尿病）的病理性肥大和功能障碍。
靶向肌动蛋白细胞骨架对质膜和细胞核都很重要。肌动蛋白细胞骨架的重组不仅是改变细胞形状所需，还可能影响细胞核和核仁的结构。当脂滴扩张时，它们占据脂肪细胞大部分体积并将细胞核压缩到质膜上。肌动蛋白网络与核内亚结构之间直接受机械控制的关系由以下观察提出：在成脂过程中，肌动蛋白细胞骨架重排发生在核仁重塑之前。因此，调节肌动蛋白张力的疗法也可能缓解细胞核的机械应力。所有这些研究表明，肌动蛋白细胞骨架在正常脂肪细胞分化和病理性肥大中具有关键作用。未来靶向RhoA-肌动蛋白-YAP轴的治疗策略可能通过调节细胞骨架张力来降低皮质刚度。该治疗策略可能确保结构完整性以防止核应激，并增强GLUT4运输，从而恢复代谢健康。
3 微管：运输高速公路与机械信号枢纽
肌动蛋白细胞骨架控制脂肪细胞皮质的活动，而微管网络调节细胞质深处的活动。该网络对脂肪细胞的正常功能很重要，因为它影响分化、肥大、脂滴动力学和胰岛素敏感性。
3.1 运输高速公路：GLUT4运输与交通堵塞
在肥大脂肪细胞中，微管网络面临两个挑战：必须维持胰岛素响应囊泡的长距离运输，同时抵抗扩张脂滴施加的巨大压缩力。胰岛素刺激的葡萄糖摄取依赖于精确的接力系统。在GLUT4囊泡到达皮质肌动蛋白网络之前，必须沿着微管轨道通过驱动蛋白（kinesin）运动蛋白穿过深部细胞质。磷酸蛋白质组学分析表明，这种轨道的形成受胰岛素主动调节。研究发现胰岛素调节微管正端追踪蛋白（+TIPs）如CLASP2、G2L1、MARK2、EB1和CLIP2的磷酸化。关键的是，该研究确定了一种新的稳定机制：胰岛素刺激后，这些+TIPs从专门追踪生长端重新分布到其后面。虽然胰岛素增加含CLASP2的微管末端数量，但同时降低其速度。+TIPs trailing对微管动力学的降低稳定了轨道，确保葡萄糖转运蛋白的有效递送。然而，在肥大脂肪细胞中，这种长距离运输受到损害。巨大单室脂滴的物理扩张严重扭曲并沿其周边重新定向微管晶格，产生机械和空间交通堵塞，将GLUT4储存囊泡困在核周区域。即使胰岛素信号通路（PI3K/Akt）完整，将葡萄糖转运蛋白递送到质膜所需的稳定结构轨道被破坏，导致胰岛素抵抗。这种机制在骨骼肌细胞中也观察到，其中微管介导的GLUT4运输中断即使在适当的PI3K和Akt激活下也会诱导胰岛素抵抗。
3.2 脂滴动力学：融合与细胞器相互作用
除了GLUT4，微管还是脂滴运输和融合的主要轨道。脂滴大小不仅可以通过甘油三酯生物合成增加，还可以通过较小脂滴融合成较大脂滴来实现。脂滴不是静态的，它们在细胞内主动移动。这种移动主要由微管相关运动蛋白（如驱动蛋白和动力蛋白）介导，这些蛋白沿微管轨道行走。这种运动蛋白介导的运输对于较小脂滴融合成较大脂滴至关重要，该过程对脂肪细胞生长至关重要。研究报道，脂滴复合物形成过程依赖于完整的微管网络，当用诺考达唑（nocodazole）解聚微管时，该过程被抑制。这表明微管不仅需要用于脂滴的长距离运输，还需要将它们紧密聚集以便融合发生。
动力蛋白运动蛋白参与这种微管依赖的脂滴融合。运动蛋白驱动的运输对于脂滴与其他细胞器（如内质网、线粒体和溶酶体）的相互作用和移动也很重要，这些相互作用对脂质代谢、信号传导和营养交换至关重要。微管网络的任何破坏都可能通过损害脂滴与细胞其余部分之间的必要通讯而导致肥胖和脂肪肝等代谢疾病。
3.3 脂解-脂肪生成循环
微管在白色脂肪细胞的脂解-脂肪生成循环中也起关键作用。脂解过程后，大脂滴缩小释放脂肪，形成微脂滴。为了通过胰岛素依赖过程返回到其基础脂质储存状态，微脂滴融合在一起形成单个大脂滴。微管是微脂滴同型融合所必需的。微管依赖的胰岛素驱动脂滴融合使脂肪细胞在脂解后能够增加其大小，表明维持脂肪细胞中脂质稳态需要微管依赖的信号通路。
3.4 微管乙酰化：稳定性开关
肥大脂肪细胞中微管网络的功能——无论是作为GLUT4囊泡运输的稳定轨道，还是为脂滴生长而解组装——由其翻译后修饰（特别是乙酰化）决定。微管乙酰化由乙酰转移酶MEC-17（αTAT1）和去乙酰化酶SIRT2和HDAC6调节。胰岛素信号本身可通过GSK3和mTOR信号之间的平衡增加α-微管蛋白赖氨酸40（K40）乙酰化。这种胰岛素刺激的乙酰化旨在稳定微管晶格以支持+TIP trailing现象并促进运输。但在脂肪细胞肥大期间，这种乙酰化信号被用于诱导细胞骨架重塑。在成脂过程中，微管重塑以允许脂滴扩张。这是通过上调MEC-17增加α-微管蛋白乙酰化来实现的。乙酰化增加作为信号诱导katanin介导的微管切割和随后的细胞骨架重塑，允许脂滴扩张并加速细胞向成熟脂肪细胞转化。即使微管切割允许脂滴扩张，它也会破坏GLUT4囊泡运输。由于驱动蛋白-1运动蛋白需要长而稳定的乙酰化微管来有效运输GLUT4囊泡，这些轨道的断裂会损害GLUT4向质膜的转位。因此，当旨在用于胰岛素驱动运输的高乙酰化被切割机制用于适应脂滴生长时，就会发生代谢功能障碍。
3.5 机械转导：LINC复合体与微管-肌动蛋白串扰
尽管微管网络解组装是适应扩张脂滴所必需的，但微管也有助于将机械信息直接传递到细胞核。脂肪细胞中的机械转导取决于细胞骨架与细胞核之间的相互作用。研究证明，微管与SUN2（核骨架与细胞骨架连接体（LINC）复合体的核心成分）之间的串扰对成脂作用至关重要。微管-SUN2相互作用调节脂肪细胞的机械刚度，也有助于PPARγ的核运输。破坏微管-LINC相互作用抑制PPARγ向细胞核的募集，阻止成脂分化。这表明微管网络不仅是被动支架，还是成脂基因表达的主动调节因子。
微管动力学可通过特定信号因子直接影响肌动蛋白收缩力。在许多细胞类型中，微管隔离Rho激活剂GEF-H1。当微管经历大规模重塑或去聚合时（这在脂肪细胞肥大期间也会发生），GEF-H1被释放到细胞质中，激活RhoA并触发肌动蛋白应力纤维形成。这种机制可能是肥胖脂肪组织中观察到的RhoA-ROCK信号病理性升高和由此产生的肌动蛋白僵硬的原因。因此，肌动蛋白和微管之间的串扰可能增加脂肪细胞的细胞骨架硬度和代谢缺陷。
4 波形蛋白：结构笼与细胞外信号
波形蛋白（vimentin）丝被认为是脂肪细胞被动的骨骼支持。但最近的研究表明，波形蛋白网络是脂质代谢的关键主动调节因子，调节脂解，并作为细胞外信号分子。在成脂过程中，波形蛋白中间丝蛋白网络经历显著重组。它从扩展的细胞质网络转变为在发育中脂滴周围形成独特的“笼状”皮质。这种重塑对于在脂滴扩张时维持脂肪细胞的机械完整性至关重要。
4.1 波形蛋白-Perilipin连接
研究确定，波形蛋白在脂滴周围的组织由Perilipin-1介导。他们提出了脂滴生物发生的模型，其中Perilipin-1是第一个被募集到新生脂滴表面的蛋白。Perilipin然后作为锚定物募集波形蛋白丝，在脂滴周围形成皮质。该皮质有助于组织和稳定脂滴，使其可以长得更大而不发生过早融合。研究还表明，脂滴表面的波形蛋白-perilipin复合体与多层平滑内质网相互作用。这表明存在一个组织良好的脂滴形成系统，其中ER负责合成脂质，perilipin和波形蛋白组织脂滴表面，整个结构协调以执行有效的脂质储存。
4.2 代谢调节：脂质摄取与脂解
除了结构作用，波形蛋白笼还作为调节脂质摄取和降解的动态界面。波形蛋白通过与主要脂肪酸转位酶CD36相互作用来调节脂质进入。波形蛋白缺乏减少CD36向质膜的运输，导致CD36膜定位降低，从而减少脂肪酸摄取。波形蛋白笼也作为脂解的必要支架，通过与激素敏感性脂肪酶（HSL）相互作用实现。HSL是降解储存脂肪的主要酶。HSL被磷酸化激活，然后从胞质转位到脂滴以将脂质降解为脂肪酸产生能量。在波形蛋白缺失的脂肪细胞中，HSL向脂滴的转位受损。没有波形蛋白的结构支持，HSL无法与脂滴有效相互作用以催化脂质分解，表明波形蛋白对脂解很重要。
4.3 细胞外波形蛋白作为信号分子
最近的一项研究揭示，3T3L1来源的脂肪细胞响应氧化低密度脂蛋白（oxLDL）分泌波形蛋白，细胞外波形蛋白作为一种应激诱导信号，将脂肪细胞修饰为肥大和促炎状态。当氧化低密度脂蛋白与CD36受体结合时，蛋白激酶A被激活，磷酸化波形蛋白并触发其分泌到细胞外空间。当脂肪细胞暴露于细胞外波形蛋白时，导致细胞内脂滴大小增加和细胞内甘油三酯水平升高，直接促进脂肪细胞肥大。细胞外波形蛋白通过上调质膜上脂肪酸转运蛋白CD36和葡萄糖转运蛋白（GLUT1和GLUT4）的表达来增加能量摄入。它不仅通过增加脂质摄入促进脂质积累，还通过下调关键脂解酶（如ATGL）抑制脂质分解。细胞外波形蛋白还抑制自噬并增加内质网应激，这也促成肥胖相关的代谢功能障碍。在这里，波形蛋白作为分泌型脂肪因子发挥作用，而不仅仅是内部支持结构。通过增强CD36依赖的脂质积累和抑制脂解，细胞外波形蛋白作为脂肪细胞肥大的直接促进剂。未来研究必须解决这种细胞外信号的潜在机制，以确定靶向细胞外波形蛋白是否可以调节炎症-肥胖串扰，并确定其他细胞骨架蛋白是否以类似方式分泌以调节脂肪组织功能和代谢健康。
4.4 波形蛋白与GLUT4滞留
波形蛋白在胰岛素抵抗中也有特定作用，这不同于肌动蛋白和微管的功能。在基础未刺激状态下，波形蛋白将GLUT4储存囊泡保留在核周区域，防止其过早释放。波形蛋白网络作为支架，将GLUT4储存囊泡以聚集的、准备就绪的状态保持在细胞中心附近，以便它们可以响应胰岛素信号释放。波形蛋白直接与胰岛素响应性氨肽酶（IRAP）结合，IRAP与GLUT4一起在储存囊泡上运输。当脂肪细胞中波形蛋白缺失时，GLUT4囊泡分散，其胰岛素刺激向细胞表面的运动减少。来自波形蛋白缺失小鼠的脂肪细胞质膜GLUT4表达减少，导致葡萄糖摄取降低，这进一步表明波形蛋白对脂肪细胞中GLUT4的细胞内运输至关重要。在肥大脂肪细胞中，扩张脂滴对波形蛋白笼的物理扭曲会破坏GLUT4在细胞中心的滞留。这导致GLUT4囊泡降解或其分选缺陷，导致肥胖中观察到的胰岛素响应性葡萄糖摄取减少。
5 Septins：细胞骨架的“第四组分”
Septins（SEPTs）是一个高度保守的GTP结合蛋白家族，现在被认为是细胞骨架的“第四组分”。尽管肌动蛋白丝、微管和中间丝在脂肪细胞中的功能已明确，但SEPTs的功能在很大程度上仍未被探索且复杂。SEPTs分为四个亚组（SEPT2、SEPT6、SEPT7和SEPT3），它们组装成异源寡聚复合体，进一步组织成高阶结构，如丝状、环状、束状和笼状结构。SEPT结构定位于细胞内不同区域，如质膜、胞质分裂中的收缩环以及细胞器表面。SEPT亚型SEPT7和SEPT11与成脂作用和脂滴形成相关。在非脂肪细胞（如肝细胞和丙型肝炎病毒感染）中进行的研究表明，SEPT9影响脂滴的核周聚集和运输，但其在成脂或肥大中的直接作用尚未确定。除了调节脂质动力学，SEPTs还调节囊泡运输。通过协调运输机制，它们也影响GLUT4囊泡的转位。
SEPTs可能在肥大期间（细胞经历大物理扩张时）发挥关键的机械生物学作用。它们与肌动蛋白丝、微管和中间丝一起调节膜动力学、皮质刚度和囊泡运输。在脂肪细胞肥大期间，当广泛的细胞骨架重塑发生时，假设SEPTs作为机械支架稳定质膜以抵抗增加的张力，帮助维持细胞完整性，防止细胞破裂。此外，SEPTs还可能作为支架控制脂滴的融合和分裂，这对脂质储存和扩张至关重要。
5.1 SEPT11：脂质装载的支架
在哺乳动物SEPT亚型中，SEPT11（SEPT6亚组的成员）作为细胞骨架结构与代谢功能之间的关键联系。SEPT11表达在肥胖个体的脂肪组织中上调，与网膜脂肪的肥胖标志物和皮下脂肪的胰岛素抵抗呈正相关。SEPT11的调节与脂肪细胞大小相关，而非与胰岛素抵抗相关。当小鼠3T3-L1细胞和人类脂肪细胞暴露于成脂剂（如油酸和胰岛素）时，SEPT11蛋白水平增加。随着脂肪细胞扩张，SEPT11从长线性束广泛重组为膜下结构。这种重排类似于成脂过程中发生的肌动蛋白细胞骨架重塑，表明SEPT11与肌动蛋白之间存在功能相互作用。SEPT11根据脂肪细胞分化阶段及其与其他SEPTs（如SEPT2或SEPT9）的相互作用组装成丝状或环状。
5.2 脂质运输与胰岛素信号的协调
SEPT11在脂肪细胞中作为脂质运输机制的动态支架。它与脂肪细胞小窝蛋白-1（Caveolin-1）和脂肪酸结合蛋白5（FABP5）相关。当脂肪细胞装载脂质时，这三种蛋白SEPT11、小窝蛋白-1和FABP5移动到脂滴表面，共同促进脂质装载和运输。SEPT11的这种支架功能至关重要，因为siRNA介导的SEPT11沉默显著降低了小窝蛋白-1和FABP5的水平，破坏了脂质摄取机制，但对其他成脂标志物没有影响。
除了结构作用，SEPT11对维持脂肪细胞中的胰岛素信号至关重要。在3T3-L1脂肪细胞中沉默SEPT11减少了胰岛素刺激的Akt磷酸化，表明胰岛素信号受损。SEPT11耗竭还降低了基础和胰岛素诱导的脂肪生成、细胞内脂质积累，并抑制脂解率。这些发现表明，沉默SEPT11会损害胰岛素信号以及脂肪细胞响应胰岛素积累脂质的能力。
5.3 SEPT7悖论：支架还是制动器？
尽管SEPT11似乎支持脂肪细胞扩张，但SEPT7的功能存在争议。SEPT7是SEPT复合体内的核心单体，附着到六聚体构建块的末端以形成非极化丝状。作为大多数SEPT丝稳定性所需的中心亚基，SEPT7在脂肪细胞生物学中表现出两种相反的功能：它作为脂滴生物合成的支架，也作为对抗不受控制肥大的机械制动器。
5.4 SEPT7的促成脂功能
早期研究表明SEPT7是成脂作用的重要驱动因子。在3T3-L1和小牛前脂肪细胞中，SEPT7表达在分化过程中增加，并协调从成纤维细胞样前体细胞向成熟脂肪细胞的过渡。SEPT7过表达增加脂滴积累并促进成脂分化，而沉默SEPT7减少脂质沉积。SEPT7表达还与成脂和脂肪生成主调节因子PPARγ和C/EBPα基因的上调相关。SEPT7对维持MEK/ERK通路活性至关重要。由于ERK1/2磷酸化是主调节因子PPARγ和C/EBPα转录激活所必需的，SEPT7耗竭阻止成脂分化。除了上调成脂基因，SEPT7还通过下调脂肪甘油三酯脂肪酶（甘油三酯水解的限速酶）的表达来促进脂质储存。
除了转录功能，SEPT7在脂滴生物发生过程中还有关键的结构功能。与其他SEPT家族成员（如SEPT2、SEPT6和SEPT9）相比，SEPT7强烈结合FIT2（Fat Storage-Inducing Transmembrane Protein 2）。SEPT7被FIT2的细胞质环募集到ER-脂滴连接处，在那里作为细胞骨架支架。与ER管形成蛋白一起，该复合体产生启动脂滴生物发生所需的膜曲率。这一过程不仅在秀丽隐杆线虫中确定，也在非脂肪细胞（如HepG2和COS-7细胞）中确定，表明这是一种进化上保守的机制。SEPT7耗竭减少了脂滴的数量和大小，证实SEPT7对脂滴合成至关重要。尽管这些研究是在非脂肪细胞中进行的，但3T3L1脂肪细胞中FIT2和SEPT7的显著上调表明脂肪细胞也可能使用相同的机制进行适当脂肪储存。因此，通过在转录水平调节成脂作用并帮助形成脂滴生物发生所需的结构机制，SEPT7确保脂肪细胞的适当成熟和脂质积累。
5.5 SEPT7的抗肥胖功能
然而，一项使用单细胞定位和脂肪细胞特异性SEPT7敲除小鼠的研究将SEPT7确定为脂质积累的负调节因子，这一发现挑战了SEPT7的促成脂功能。缺乏脂肪细胞SEPT7的小鼠在长期高脂饮食喂养后促进白色脂肪细胞肥大和脂肪细胞数量增加，导致肥胖、葡萄糖耐受降低、肝脏脂质积累和血清甘油三酯升高。这表明，没有SEPT7，脂肪细胞失去机械约束并过度扩张。这表明SEPT7的正常功能是防止脂肪细胞扩张。
该研究确定了一个信号通路，其中SEPT7皮质抑制钙库操纵性钙内流（SOCE）。通过限制SOCE，SEPT7防止过度的钙内流。细胞内钙的限制抑制成脂主调节因子（PPARγ和C/EBPα）的表达，同时促进激素敏感性脂肪酶的表达以增加脂解。此外，SEPT7还通过抑制参与甘油三酯合成（Scd1、Dgat1、Dgat2）、脂质摄取（Cd36、Glut4、FABP4）和脂滴稳定性（Perilipin）的基因表达来调节脂肪生成。因此，通过限制脂质储存所需的钙信号，SEPT7防止脂肪细胞进入病理性肥大状态。因此，SEPT7作为一种“分子制动器”，在物理和生化上阻止脂肪细胞扩张超过健康限度。
5.6 SEPT7的环境依赖功能：分化与维持
SEPT7对比鲜明的发现可以通过观察SEPT7在脂肪细胞不同生命阶段的功能来解决。研究人员提出，SEPT7在前脂肪细胞分化期间的功能可能与成熟脂肪细胞的维持阶段不同。在初始分化（建立阶段），SEPT7需要支持ERK信号通路，该通路激活关键基因PPARγ和C/EBPα，并与FIT2一起作为支架构建脂滴的初始结构。没有SEPT7，细胞无法分化或建立脂质储存机制。一旦细胞完全形成并成熟（维持阶段），SEPT7可能作为稳定剂或调节剂。在成熟脂肪细胞中，SEPT7限制钙库操纵性钙内流。通过限制钙内流，它阻止细胞的脂质储存能力并促进脂解。因此，SEPT7阻止细胞扩张超过健康限度。SEPT7在较高BMI个体和喂食高脂饮食小鼠中表达升高的观察可能代表一种代偿机制。在高脂饮食条件下，当脂肪细胞被迫扩张时，细胞可能上调SEPT7以试图维持结构完整性和代谢功能，抵抗肥大诱导的机械应力。
5.7 SEPTs：葡萄糖运输的潜在屏障
尽管SEPTs在葡萄糖运输中的作用尚未在脂肪细胞中研究，但在足细胞（也是一种胰岛素敏感细胞）中进行的研究表明，SEPT7可作为葡萄糖运输的负调节因子。在足细胞中，SEPT7形成复合体抑制肌球蛋白IIA运动蛋白的活性，该蛋白对GLUT4囊泡与质膜的最终对接和融合至关重要。SEPT7可能作为囊泡融合的屏障。SEPT7敲低被发现增加了囊泡SNARE VAMP2与质膜蛋白Syntaxin-4和Nephrin之间的相互作用。SEPT7对葡萄糖运输的调节是PI3K通路非依赖性的。这意味着SEPT7控制胰岛素受体信号级联下游的物理运输事件。因此，为了有效葡萄糖摄取，必须去除SEPT屏障。基于这些发现，类似机制也可能在脂肪细胞中发生。因此，在肥胖中观察到的SEPT7上调可能阻断有效的GLUT4运输。即使胰岛素信号保持完整，皮质增加的SEPT7可能物理阻断肌球蛋白IIA功能并屏蔽SNARE复合体，阻止GLUT4囊泡与质膜融合。这表明SEPT细胞骨架可能在葡萄糖摄取中具有关键作用，脂肪细胞中SEPT7正常功能的破坏可能导致胰岛素抵抗和相关的代谢障碍。
6 结论与未来展望
从健康、胰岛素敏感的脂肪细胞向肥大、胰岛素抵抗状态的转变不仅是代谢事件，还涉及细胞骨架的多阶段机械失败。本综述强调细胞骨架作为这种转变的中心整合者。它始于肌动蛋白网络作为细胞表面的主要机械传感器，将外部纤维化ECM张力和内部细胞扩张力转化为通过RhoA-ROCK-YAP/TAZ通路调节基因表达的信号。随着肥大进展，微管网络（细胞的主要交通路线）在物理上受损，导致GLUT4囊泡交通堵塞，阻止胰岛素刺激的葡萄糖摄取。同时，波形蛋白笼必须适应以提供结构加固，而Septin家族作为分子制动器调节脂质积累速率。当这些物理轨道和停靠站因过度扩张而在结构上受损时，即使完美执行的上游生化信号也无法转化为适当的代谢行动。
通过认识细胞骨架是一个协调的机械机器而非被动支架的集合，研究人员建议靶向脂肪细胞的机械特性可作为一种新型治疗策略，以解决细胞功能障碍的根本原因，而不仅仅是治疗代谢症状。将我们对肥胖诱导胰岛素抵抗的理解从纯粹的代谢信号缺陷转变为细胞力学疾病，为干预开辟了全新的途径。
为了推进肥胖和脂肪细胞生物学的研究，未来研究应旨在通过优先考虑三个主要领域来恢复组织的机械平衡：a. 解析Septin的功能：必须使用可诱导的、阶段特异性的敲除模型来阐明SEPT7的双重功能（促成脂与抗肥胖）。这将确定SEPT7是否可以被药物调节以允许脂肪细胞的健康扩张而不触发病理性肥大。b. 探索细胞骨架分泌组：细胞外波形蛋白的发现表明，全面的蛋白质组学研究可能揭示其他分泌型细胞骨架蛋白，这些蛋白可作为代谢疾病的新型生物标志物或治疗靶点。
