棕色脂肪组织作为哺乳动物体内非颤抖性产热的主要器官,主要存在于人类婴儿和其他动物体内。近年来在成年人体内也发现了棕色脂肪。长时间暴露在寒冷环境中,也可以诱导白色脂肪组织出现米色脂肪细胞,使其获得产热功能。棕色脂肪和米色脂肪细胞能够氧化分解储存在甘油三酯里的脂肪酸,将能量以热量的形式释放出来,以维持机体的正常体温。在棕色或者米色脂肪细胞中,与产热功能相关的两个细胞器是脂滴和线粒体。脂滴是一个膜性细胞器,包含一个中性脂核心和磷脂单分子层及嵌入单分子层表面的蛋白。几乎所有生物的细胞都含有脂滴。动物细胞的脂滴作为储存甘油三酯的主要场所,在代谢稳态中起着重要作用。脂滴来源的脂肪酸在线粒体中的β-氧化反应是细胞合成ATP的主要能量来源。线粒体也可以将用于合成ATP的能量以热量的形式释放出去,以维持动物体温。其中,甘油三酯水解的产物脂肪酸需要被转运到线粒体中进行β-氧化。因此,脂肪酸转运效率对于产热是至关重要的。而脂肪酸是亲脂性分子,不易在胞浆的水相中转运。所以,脂肪酸在脂滴和线粒体这两个细胞器之间的直接或间接运输机制,就是该领域的一个重要研究方向。近年来,组学研究为棕色脂肪组织中的脂滴如何应对外界温度变化提供了一些新的见解。而这些工作基本都是在室温(22℃-23℃)下进行的。小鼠的热中性温度为30℃左右。因此,这些研究忽略了棕色脂肪组织从30℃到23℃的激活过程。所以,我们分别在低温(6℃)、室温(23℃)、和热中性温度(30℃)三种温度下饲养小鼠。为了研究脂滴和线粒体及它们对冷刺激的反应,我们分别分离纯化了小鼠棕色脂肪组织中的脂滴和线粒体,发现在三个温度饲养条件下,脂滴和线粒体都有相互接触,说明脂滴和线粒体的紧密接触不是由冷刺激诱导的。并且,实验室常用的物理或者化学方法都不能破坏脂滴和线粒体之间的相互作用。实验还发现,脂滴锚定的线粒体(LDAM)具有完整的电子传递链复合物及功能。通过比较分析它们的蛋白质组,发现参与糖酵解、脂肪酸β-氧化,氧化磷酸化等通路的蛋白随着环境温度发生明显变化。此外,与胞浆中的线粒体(CM)相比,LDAM含有更高水平的解偶联相关蛋白,并对寒冷更敏感。说明脂滴和LDAM可能作为一种特殊的细胞器复合物,使机体能够对冷刺激做出迅速反应。为了研究脂滴和线粒体发生相互作用的机制,我们将棕色脂肪前体细胞分化为成熟的棕色脂肪细胞,观测二者的相互作用。在细胞分化的第二天,线粒体开始与脂滴发生相互作用,并且在分化第四天相互作用达到饱和。在小鼠的骨骼肌、心肌等氧化性组织中也检测到脂滴和线粒体的紧密接触,但在肝脏组织中并没有发现这种紧密作用。另外,我们发现在猕猴的氧化性组织中也有这种紧密作用,说明人类氧化性组织中也可能存在这种紧密作用。我们推测,这两个细胞器之间的紧密接触可以协调它们的功能,便于疏水性脂肪酸直接从脂滴转运到线粒体,不需要穿越亲水的胞浆环境。我们的建立的新方法和研究结果,为剖析棕色脂肪组织激活的分子机制,以及脂滴和线粒体是如何相互作用提供了一些有用的线索。