有人說減肥是全民運動。大部分的人一生就算沒有減過肥，其實也都會有注意到自己身上的「肉」好像多了一點，應該要控制一下飲食的經驗。

其實，我們通常說的「肉」，都是「肥肉」，也就是脂肪。但是，我們身上的脂肪組織其實分成兩種。大部分身體內的脂肪都是白色脂肪（white fat），主要的功能是儲存脂肪以及提供能量；也是我們減肥的主要目標。但是哺乳動物除了有白色脂肪以外，還有「棕色脂肪」（brown fat），他可以燃燒自己儲存的脂肪，幫助我們維持體溫。棕色脂肪在哺乳動物的嬰兒身上很多，但是長大後會減少到只剩下鎖骨附近的區域。

雖然棕色脂肪主要的功能是維持體溫，過去的研究也知道，冷可以使棕色脂肪開始加速燃燒產生熱能，使體溫上昇；這個過程稱為「棕色脂肪產熱作用」（brown fat thermogenesis）。 但是，科學家們一直都很感興趣的部分是：如果我們能夠啟動棕色脂肪燃燒，是否也可以把「多餘的」脂肪給燒掉，達成減重的目的呢？

目前知道，棕色脂肪產熱作用是透過交感神經系統（sympathetic nervous system）啟動的。位於棕色脂肪組織的交感神經末稍，分泌正腎上腺素（norepinephrine），使得棕色脂肪組織開始大量燃燒儲存的脂肪分子。因為交感神經系統是屬於自律神經的一部份，也就是說，我們無法用我們的意志來啟動棕色脂肪組織，讓他為我們產熱。

過去對棕色脂肪產熱作用的了解得知，正腎上腺素會使一個稱為PGC-1α的蛋白質大量表現；接著這個PGC-1α蛋白會去啟動另一個稱為ERRα的蛋白質，然後棕色脂肪產熱作用就開始了。但是，缺乏ERRα或是PGC-1α基因的小鼠，在冷的環境下還是可以正常地啟動棕色脂肪產熱作用；這代表了與PGC-1α蛋白相關的路徑並非唯一可以啟動棕色脂肪產熱作用的途徑。

那麼，還有什麼可以啟動棕色脂肪呢？

最近，一群Scripps的科學家們，在研究ERRβ蛋白時，無意間發現了這個蛋白質（他是一個細胞核內受體nuclear receptor）竟然跟棕色脂肪產熱作用相關！

一開始研究團隊對ERRβ蛋白知道的並不多；他們只知道這個蛋白位於棕色脂肪細胞內，長得跟ERRα蠻像的。於是他們開始了大海撈針之旅。為什麼說大海撈針呢？因為他們總共篩選了一萬八千個蛋白質，想要找出哪一個跟他們的蛋白有互動。最後，他們終於找到了GADD45γ。

當他們找到GADD45γ時，由於這個蛋白質在老鼠暴露於低溫後會在棕色脂肪中大量表現，於是他們很快就想到：莫非這與棕色脂肪產熱作用相關？莫非這是PGC-1α之外的另一條途徑？

於是研究團隊開始研究GADD45γ蛋白質，接著他們發現，冷會使得位於棕色脂肪的交感神經末稍分泌正腎上腺素，而正腎上腺素除了會啟動PGC-1α之外，也會使得GADD45γ蛋白的表現量上昇；接著GADD45γ蛋白便會去活化兩個蛋白質：除了ERRβ之外，還有ERRγ。而ERRγ接著也會啟動棕色脂肪產熱作用。

更讓研究團隊興奮的事情是：缺少GADD45γ基因的小鼠，他的棕色脂肪產熱作用也發生了缺損。這代表在啟動棕色脂肪產熱作用上，GADD45γ的角色，比之前發現的PGC-1α更重要。不過，要使棕色脂肪產熱作用完全發揮，這兩條路徑缺一不可。

可能會有讀者說，那麼，這也並不代表我們就馬上可以用人工的方法來啟動棕色脂肪產熱作用，來達到「躺著也能減肥」的目的啊？的確是如此，不過，深入了解如何啟動這個機制，也就代表未來我們可以想辦法來啟動它。而在眼前，可能要在冷天少穿點，也可以啟動棕色脂肪產熱，這對減肥也多少有些幫助。更何況，多多啟動棕色脂肪，可能也可以預防糖尿病呢！

原刊載於作者部落格Miscellaneous999 

參考資料：

1. 2014/8/1. Scientists find new calorie-burning switch in brown fat. Science Daily.

• 情慾、性別、身體與性犯罪——科學視角下的性教育
• 如何打造科學家的房間！科學實驗室EP.6 — 會動的AR繪本
• 利用阿基米德浮力原理，當玻璃小球浮起時測量氣溫～伽利略溫度計
• 交換禮物大賞！QUALY 醉愛北極熊酒瓶塞
• 數學好無聊、不實用，到底為什麼要學數學？
• 給大人玩的理財桌遊，從此航向財富自由！
• 交換禮物首選、推理迷必買！台灣推理作家協會20週年限定週邊

隱翅蟲是一群小型甲蟲的總稱；牠們以毒聞名，卻不見得都具有毒性。有些隱翅蟲會生產毒液儲存在身體裡，需要時噴射攻擊。毒液不只是嚇唬人的工具，像是跟螞蟻搶地盤這類場合，生化武器能發揮實在的優勢。

本文沒有真實隱翅蟲的圖像，閱讀時不用擔心。

隱翅蟲的毒液包含毒素和溶劑兩部分，有意思的是，兩者是獨立生產；溶劑本身沒有毒，毒素單獨存在也沒多少毒性。兩者極為依賴彼此，生產線卻是獨立運作，此一狀況是怎麼形成的？一項新研究投入大筆資源，便探討其演化過程。

「毒」加「液」才有毒液

這項研究探討的隱翅蟲叫作 Dalotia coriaria，為求簡化，本文之後稱之為「隱翅蟲」。它的毒素並非導致隱翅蟲皮膚炎的隱翅蟲素 (pederin) ，切莫混淆。

隱翅蟲的毒液發射器位於背上，體節的 A6、A7 之間，這兒有部分表皮細胞特化成儲存囊壁，並分泌脂肪酸衍生物作為溶劑。而毒素為配備苯環的化學物質 benzoquinone（苯醌），簡稱 BQ；另有一群細胞專門生產 BQ，再運送到儲存囊，和其中的脂肪酸衍生物混合後形成毒液。

生產毒素和溶劑的細胞，是兩類完全不一樣的細胞，各有不同的演化歷史。隱翅蟲的祖先，沒有毒素也沒有溶劑，兩者都可謂演化上的創新 (novelty) 。

論文將生產溶劑的細胞稱為「溶劑細胞」；分析成分得知溶劑總共有 4 種，是碳數介於 10 到 12 的脂肪酸衍生物。合成脂肪酸，本來就是各種生物的必備技能，但是溶劑細胞製作的脂肪酸衍生物，原料並非一般常見的脂肪酸。

脂肪酸的合成，都是以 2 個碳的基礎材料開始，作為類似 PCR 中引子 (primer) 的角色，然後由 FAS（全名 fatty acid synthase）這類酵素一次加上 2 個碳，2、4、6、8 碳一直加上去。人類的 FAS 通常會製作長度為 16 碳的棕櫚酸，昆蟲則會造出 14、16、18 碳的最終產物。

隱翅蟲的溶劑細胞中，脂肪酸衍生物只有 10 到 12 個碳，比 FAS 一般的產物更短。奇妙的是，這兒的脂肪酸並非由 14 或 16 個碳縮短而來，而是溶劑細胞內 FAS 的最終產物直接就是 12 個碳。

改造脂肪酸合成線路，製作溶劑

要闡明其中奧妙，必需先稍微認識昆蟲的脂肪酸合成系統。昆蟲有一群特殊的脂肪酸衍生物，稱為「表皮碳氫化合物（cuticular hydrocarbon，簡稱 CHC）」，具有防止水分散失、費洛蒙等作用。

表皮碳氫化合物多半由 oenocyte 所製造（類似人類的肝細胞），在 FAS 酵素催化形成 14 到 18 個碳長的脂肪酸以後，繼續由延長酶 (elongase) 增加長度，去飽和酶 (desaturase) 加上雙鍵，最後經過兩道尾端的還原手續，分別由 FAR（全名 fatty acyl-CoA reductase）和 CYP4G（全名 cytochrome p450 family 4 subfamily G）兩類酵素執行，產生通常介於 20 到 40 個碳長的產物。

隱翅蟲和其他昆蟲一樣，oenocyte 細胞內有完整的表皮碳氫化合物生產線，每一步驟的酵素一應俱全。比對可知，溶劑細胞內也有一條脂肪酸衍生物的產線，顯然是由表皮碳氫化合物的生產線改版而成。

隱翅蟲至少有 4 個 FAS 基因，3 個負責製作一般的脂肪酸和表皮碳氫化合物，只有一個特定的 FAS 參與溶劑生產，專職在溶劑細胞中大量表現，製造 12 碳的脂肪酸，最後也由 FAR 和 CYP4G 收尾形成衍生物。值得一提，已知產物長度為 12 碳的 FAS 酵素相當罕見。

溶劑細胞和表皮碳氫化合物的生產線，兩者都有 FAS、FAR、CYP4G 三類酵素，但是在溶劑細胞作用的三種酵素，都不管其他細胞的脂肪酸合成。除此之外，有時候還有另一種酵素 α-esterase 的參與。依靠這些專門在溶劑細胞工作的酵素們，隱翅蟲能生成 4 種溶劑。

演化上，隱翅蟲並沒有捨棄原本的脂肪酸生產線，整套都還存在；相對地，隱翅蟲在少數特定細胞新增一條產線，不影響原本的重要部門。這是隱翅蟲在遺傳和細胞層次的演化創新。

• 延伸閱讀：在小小的卷柏中，遇見大大的葉綠體

改造粒線體代謝線路，生產毒素

類似的狀況，也在毒素生產線觀察到。隱翅蟲的毒素，也是由原本有重要功能的古老生產線，調整再改版而成。

論文將生產毒素的細胞稱為「BQ 細胞」，這部分沒有溶劑細胞了解的那麼詳盡，不過經由碳的穩定同位素追蹤，還是得知毒素原料來自食物中的氨基酸：酪胺酸 (tyrosine) ，經過一系列加工後形成 BQ。

這條生產線上有個關鍵酵素叫作 laccase，它一般的功能是參與 Coenzyme Q10，也就是 ubiquinone 的合成。這是粒線體有氧代謝中的重要成分，對生存不可或缺。和其他甲蟲相比，隱翅蟲多出一個 laccase 酵素，專門在 BQ 細胞表現，將 HQ (hydroquinone) 催化成 BQ 作為毒素。

由此看來，隱翅蟲祖先演化出溶劑和毒素的道理是一樣的。

溶劑方面，以舊的表皮碳氫化合物生產線為基底，改用多個新酵素基因，形成新的生產線。毒素方面，源自古老的粒線體代謝線路，同樣加入新的酵素基因，改版後變成毒素產線。兩者各自皆為遺傳與細胞層次的新玩意，合在一起則衍生出功能上的演化創新。

組合新功能，一步一步累積有利變異

這項研究有許多潛在的討論方向，有興趣的讀者可以自行鑽研。像是生物學研究者能估計所有實驗耗資多少，感受自己的微渺（例如為了分辨不同細胞的作用，論文使用大量昂貴的「單細胞轉錄組 single cell transcriptome」進行分析）。這邊只提兩點。

第一點有趣的問題是：隱翅蟲的溶劑和毒素要同時存在才有效果，可是演化上是哪個先出現呢？論文推測是溶劑細胞先出現。

假如只有 BQ 這類毒素存在，殺傷效果非常差（論文用果蠅幼蟲做實驗），但是溶劑細胞的產物，即使不作為 BQ 的溶劑，脂肪酸衍生物也可以有其他用途，像是潤滑油之類的，或是扮演別種物質的溶劑。

想來新的脂肪酸生產線比較可能先出現，扮演某些不是太重要的角色，接著再加入 BQ；毒素加上溶劑，兩者合體產生新的強大功能，脂肪酸生產線又由於獲得新功能而調整優化，最終形成現在的樣貌。

第二點有趣的是，這回發現產物為 12 碳的 FAS 酵素。乍看沒什麼，影響卻很關鍵。

FAS 這類酵素的差異，在於催化生成的脂肪酸最終產物有幾個碳（或是說，可以加到幾個碳那麼長）；已知幾乎皆為 14、16、18 個碳，隱翅蟲的溶劑細胞表現的 FAS 卻是 12 個碳。好像只差一點，然而實際測試發現，脂肪酸衍生物超過 13 個碳，作為 BQ 溶劑的效果便會差一大截。

也就是說，隱翅蟲倘若沒有脂肪酸產物僅 12 碳長的 FAS，儘管仍然可以生成溶劑，毒性將弱化不少。由此推想，隱翅蟲如今威力強大的毒液，並非透過少數變化一次到位，而是逐漸累積有利變異的結果。

想得更遠一點，由兩種細胞合作衍生而成的毒液，可以視為由多種細胞合夥，複雜器官的最簡單版本。原本不相關的各式細胞們，持續累積一個一個微小的改變，也有機會組合發展成複雜的組織或器官。

延伸閱讀

• 《我們身體裡的生命演化史》：組合新生命—千變萬化的生物，竟然有一以貫之的道理？
• 短篇 讓甲蟲長角的基因，原本是長翅膀
• 隱翅蟲真的有那麼可怕嗎？隱翅蟲皮膚炎又是怎麼一回事？
• 太陽餅沒有太陽，隱翅蟲也不一定要隱翅
• 怎麼調配黃狗、棕狗，或是黑狗？——狗與狼的遺傳調色盤
• 促進情慾流動的果蠅費洛蒙，竟然也能讓人類有反應!?──2018搞笑諾貝爾生物學獎

參考資料

1. Evolutionary assembly of cooperating cell types in an animal chemical defense system.
2. A beetle chemical defense gland offers clues about how complex organs evolve

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。

• 情慾、性別、身體與性犯罪——科學視角下的性教育
• 如何打造科學家的房間！科學實驗室EP.6 — 會動的AR繪本
• 利用阿基米德浮力原理，當玻璃小球浮起時測量氣溫～伽利略溫度計
• 交換禮物大賞！QUALY 醉愛北極熊酒瓶塞
• 數學好無聊、不實用，到底為什麼要學數學？
• 給大人玩的理財桌遊，從此航向財富自由！
• 交換禮物首選、推理迷必買！台灣推理作家協會20週年限定週邊