脂連素球狀域與糖尿病及其心血管并發癥關系*

劉文超，高向東

中國藥科大學生命科學與技術學院，南京 210009

糖尿病是世界性的流行病，據世界衛生組織報道，2000年全世界糖尿病患者占總人口的2.8%（1.7億），預計2030年這個數字將達到4.8%（3.6億）。這種疾病在中國成年人群中已經達到了流行的比例。目前研究估計9240萬20歲及以上的成年人（占人口的9.7%）有糖尿病，而1482萬成年人（15.5%）有前驅糖尿病，后者是出現顯性糖尿病和心血管疾病的一個關鍵的風險[1]。在糖尿病病發過程中，常伴隨著血漿內游離脂肪酸、膽固醇的增加，導致一些代謝綜合征如動脈粥樣硬化、心血管疾病的發生；而這些疾病正是造成糖尿病患者死亡的重要原因。脂肪組織不僅是存儲能量的器官，還能分泌大量活性因子。作為一種脂肪因子，脂連素被認為與肥胖、2型糖尿病及心血管疾病發生相關。研究表明，肥胖及2型糖尿病患者血漿內脂連素的含量明顯低于正常人。脂連素球狀域是脂連素的活性區域，近年來研究提示比全長脂連素更具潛力。在體內實驗中，脂連素球狀域顯示具有減輕胰島素抵抗、調節糖脂代謝、抗動脈粥樣硬化的作用。而其相應的作用機制也在近些年來被大量的研究闡釋。本文將對該分子在糖尿病及其血管并發癥中的作用機制做一綜述。

1 脂連素與脂連素球狀域

脂連素(adiponectin)是由脂肪組織特異性分泌的一種細胞因子，在人體血漿中含量高達2～20μg·mL-1。脂連素是由Scherer等于1995年首先發現并從3T3-L1脂肪細胞中提取到的。人脂連素含244個氨基酸，包括N端信號序列（1-18aa）、非同源區（19-41aa）、膠原域 （42-107aa）和C端球狀域 （108-244aa）。C端球狀域 （即脂連素球狀域，globular adiponectin，gAd）為其功能域，含 137個氨基酸，與補體蛋白C1q的亞單位有高度的同源性。脂連素在血漿中主要以高聚合體、中聚合體及低聚合體形式存在,另外gAd也存在于血液循環中。不同聚合形式的脂連素與不同受體結合，激活相應的信號通路。目前兩種脂連素受體adipoR1、adipoR2都已經被成功克隆。骨骼肌中富含adipoR1，對gAd具有高親和性，但對脂連素具有低親和性。肝臟中富含adipoR2，對脂連素和gAd具有中等親和力[2]。

2 脂連素球狀域與糖尿病

Fruebis等[3]首次報道了脂連素球狀域的活性，認為其能夠降低血糖和增加脂肪酸氧化，并且優于全長脂連素。Yamauchi等[4]則在ob/ob鼠模型中證實了脂連素球狀域具有改善胰島素抵抗、增加葡萄糖刺激的胰島素分泌和保護胰島β細胞的作用。因此，脂連素球狀域被認為是潛在的抗糖尿病分子。而其抗糖尿病的作用主要是通過調節糖脂代謝、改善胰島素抵抗及抑制胰島β細胞凋亡實現的（圖1）。

2.1 脂連素球狀域與糖脂代謝

圖1 脂連素球狀域抗糖尿病功能示意圖

脂連素球狀域降低血糖的功能是通過抑制肝臟內葡萄糖的生成和增加肌肉或其他組織葡萄糖攝取實現的。這可能是由磷酸腺苷活化的蛋白激酶/乙酰輔酶A羧化酶(AMPK/ACC)機制調控的。在趾長伸肌中，通過gAd的作用，AMPK活性增加兩倍，AMPK與ACC均被磷酸化，而在此過程中伴隨著葡萄糖攝取的增加。在骨骼肌中，gAd增加葡萄糖攝取和ACC磷酸化，而這一作用在使用AMPK抑制劑后被抑制，表明AMPK激活參與了骨骼肌中的糖攝取過程。脂連素球狀域同樣通過AMPK途徑增加脂肪細胞葡萄糖攝取，而不是通過刺激胰島素受體或胰島素受體底物1的酪氨酸磷酸化和丙氨酸氨基轉移酶(Akt)的絲氨酸磷酸化[5]。研究表明，在骨骼肌中，gAd通過葡萄糖轉運蛋白4（GLUT4）的轉位增加對葡萄糖的攝取，AMPK也參與了這個過程[6]。脂連素球狀域促進骨骼肌細胞對游離脂肪酸的氧化也是通過激活AMPK實現的，而在肝臟中則沒有這種作用。進一步研究表明，gAd能增加骨骼肌中諸如乙酰輔酶A氧化酶（ACO）等涉及脂肪酸氧化的分子，而對于肝臟則沒有該作用。值得注意的是，對于肥胖或2型糖尿病個體的肌細胞，gAd促進葡萄糖攝取和游離脂肪酸氧化的能力被鈍化。Chen等[7]指出在肥胖個體中，低濃度gAd激活AMPK的能力被鈍化，高濃度則不受影響；在糖尿病個體中，高濃度的gAd能激活AMPK，但對ACC磷酸化和脂肪酸氧化不起作用。研究表明，這個作用并不是由于脂連素受體減少，而可能是在這種情況下脂連素受體下游信號會抑制AMPK途徑。

2.2 脂連素球狀域與胰島素抵抗

脂連素球狀域能夠減輕胰島素抵抗，這可能由于其具有調節糖脂代謝的功能，降低了組織周圍的葡萄糖和游離脂肪酸的濃度，增強了胰島素的敏感性。Yamauchi等[4]在ob/ob鼠模型中證實了脂連素球狀域能夠改善胰島素抵抗，這一作用與ACO及解耦聯蛋白2、3表達增加相關。揭示脂連素球狀域通過增強脂肪酸氧化和調節能量代謝來改善胰島素抵抗。在2型糖尿病個體肌肉中，脂連素球狀域通過直接增加糖轉運來改善胰島素抵抗[8]。

2.3 脂連素球狀域與胰島β細胞

脂連素球狀域能夠保護胰島β細胞阻止其細胞凋亡。在體外培養的胰島INS-1細胞中,不同濃度的葡萄糖和游離脂肪酸能夠降低AMPK和ACC的磷酸化水平，而gAd可以提高AMPK和ACC的磷酸化水平,此作用可以通過減弱糖向脂肪酸的轉化、增強胰島β細胞內的脂肪酸氧化水平，從而減輕三酰甘油聚集,保護胰島β細胞功能[9]。Rakatzi等[10]研究表明，gAd抑制細胞因子和脂肪酸誘導的胰腺β細胞凋亡，且能修復自身免疫及脂毒性造成的β細胞胰島素分泌障礙。抑制IκB激酶(IKK)，細胞因子和脂肪酸誘導的胰腺β細胞凋亡會減少，這說明NF-κB參與這一過程，但gAd抑制細胞因子和脂肪酸誘導的胰腺β細胞凋亡并不通過該機制。最新研究表明，脂連素球狀域抑制胰腺β細胞凋亡及刺激β細胞胰島素合成與分泌的功能不依賴脂連素受體及AMPK的激活，而是直接通過Akt及細胞外信號調節激酶（ERK）信號途徑[11]。

3 脂連素球狀域與心血管疾病

在2型糖尿病發生過程中，常伴隨著血漿內游離脂肪酸、膽固醇的增加，導致一些代謝綜合癥如動脈粥樣硬化、心血管疾病的發生。Yamauchi等[4]在載脂蛋白E(ApoE)缺乏鼠中轉入gAd基因，高表達的gAd顯著減少動脈粥樣硬化損傷的形成。一些相關分子的檢測發現，gAd能抑制A類清道夫受體（SRA）的表達，也能抑制粥樣硬化損傷部位炎性因子TNFα的表達，但并不能抑制細胞間黏附分子1（ICAM-1）的表達。與對照組相比，脂蛋白、血清總膽固醇、高密度脂蛋白、游離脂肪酸、三酰甘油及載脂蛋白B的濃度并沒有顯著性差別，這說明gAd發揮的保護性作用可能是由于直接作用于血管壁和巨噬細胞，而不是間接地改變通常認為的引發動脈粥樣硬化的危險因子。近些年來，gAd保護心血管及抗動脈粥樣硬化的分子機制被大量研究所揭示。而內皮功能障礙可能與肥胖、糖尿病、心血管疾病的發生相關，是動脈粥樣硬化發生的一個重要前兆。內皮功能障礙被定義為血管舒張的減少和促炎癥因子的上調。gAd能通過增加NO分泌，引起血管舒張及血管修復。但目前gAd在炎癥上發揮的作用還存在爭議。

3.1 脂連素球狀域與血管保護

研究表明，內皮NO合酶（eNOS）基因敲除鼠會發生高血壓、高脂血癥等心血管疾病。脂連素球狀域使牛主動脈內皮細胞增加NO分泌。在人臍靜脈內皮細胞中它也能導致eNOS磷酸化并潛在地激活eNOS。另外它還能上調eNOS基因，增加eNOS的表達。因此脂連素球狀域增加NO分泌通過兩種機制:激活eNOS和增加eNOS表達，表明其具有保護心血管系統的作用[12]。進一步研究發現，gAd誘發血管舒張是通過刺激熱激蛋白90（HSP90）連接到eNOS并激活PI3-Akt途徑實現的[13]。研究還表明，gAd在動脈阻力血管中也具有誘發血管舒張的功能。在瘦鼠動脈阻力血管中，gAd與脂連素都能夠劑量依賴性引起血管舒張，但在糖尿病肥胖鼠動脈阻力血管中則沒有作用[14]。在肥胖和糖尿病患者體內，游離脂肪酸、血管緊張素2、TNFα及葡萄糖濃度的增加會通過減少NO分泌、增加活性氧（ROS）產生損傷內皮細胞，而gAd則有修復受損細胞的功能。gAd通過穩定HSP90與eNOS之間的作用，抑制血管緊張素2誘發的內皮細胞凋亡[15]。gAd也能修復血管緊張素2或TNFα引起的內皮細胞受損，這個作用是通過環腺苷酸/蛋白激酶A(cAMP/PKA)途徑調節微管及細胞骨架穩定性實現的[16]。高脂血癥中ROS顯著地增加，ROS在糖尿病引起的內皮障礙中發揮著重要作用。在高濃度葡萄糖環境中，gAd通過cAMP/PKA途徑抑制ROS的產生，從而修復內皮細胞損傷[17]。通過內皮原代細胞（EPCs）的循環，受損的內皮單層細胞可以再生，但高濃度葡萄糖減少EPCs的數目、減弱EPCs的功能。gAd通過eNOS激活，能顯著逆轉高濃度葡萄糖導致的EPCs功能受損[18]。在高脂血癥鼠中，gAd通過不同的機制保護受損的內皮細胞，包括激活eNOS、抑制誘導性 NO 合酶（iNOS）、抑制氧化/硝化反應[19]。在肥胖鼠中，gAd通過AMPK激活eNOS,增加NO釋放，從而逆轉內皮細胞受損[20]。

3.2 脂連素球狀域與炎癥

脂連素球狀域在炎癥中發揮的作用目前還存在爭議。NF-κB在炎癥發生過程中發揮重要的作用，NF-κB的激活促進炎癥反應，導致心血管系統病變。在最初的研究中，gAd被認為不能激活NF-κB，只有脂連素高聚合體或中聚合體才能激活該途徑。但隨后發現，在激活的單核細胞或中性白細胞中，脂連素被白細胞彈性蛋白酶切割從而產生gAd,顯示gAd可能與炎癥反應相關[21]。Hattori等[22]使用gAd預處理人臍靜脈內皮細胞2 h，發現gAd激活NF-κB；然而當預處理16 h時，gAd劑量依賴性地抑制NF-κB。Hattori等[23]繼而在心肌細胞中研究gAd的作用，發現gAd激活NF-κB并引起血管緊張素2誘導的激活蛋白 1（AP-1）的激活，顯示gAd在心肌細胞信號中發揮作用，可能導致心肌肥大。而Wang等[24]則認為，gAd通過AMPK介導NF-κB抑制，從而抑制心肌肥大。Tomizawa等[25]認為，gAd在內皮細胞中最初強烈地激活TNFα誘導的NF-κB途徑，促進大量炎癥因子的表達，經過長時間的孵育gAd對NF-κB的作用才轉為抑制；而脂連素高聚合體只需孵育很短一段時間就能夠抑制NF-κB途徑。Tomizawad等[26]進一步研究發現，gAd激活AMPK、Akt、NF-κB和一些促分裂原活化蛋白激酶，包括ERK1/2、Jun氨基末端激酶(JNK)及p38絲裂素活化蛋白激酶(p38MAPK)，并誘導大量炎癥因子如單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)、血管細胞黏附分子-1(VCAM-1)、E 選擇素(E-selectin)、IL-6和IL-8的表達。當然，gAd也具有一定的抗炎作用。Zhao等[27]研究，gAd通過ERK1/2和p38途徑抑制瘦素誘導的TNFα表達。Ouedraogo等[28]首次證明，gAd通過NO途徑抑制白細胞與內皮細胞的接觸，從而發揮抗炎作用。Wu等[29]研究，gAd通過AMPK或cAMP/PKA途徑抑制TNFα或高糖誘導的IKKβ的激活，從而發揮抗炎作用。Kamio等[30]研究表明，gAd抑制脂多糖誘導的TNFα表達、增強IL-10的表達，顯示出gAd的抗炎特性。因此，gAd可能既有抗炎作用又有促炎癥作用，這取決于它所參與的生理過程。

4 應用前景

作為脂連素的活性區域，脂連素球狀域在改善糖尿病及其心血管并發癥中顯示出比全長脂連素更大的潛力。先前由于難以大量制備，限制了其臨床應用。Liu等[31]在畢赤酵母中大量成功表達了gAd，并且證明了其具有增加ACC磷酸化和降糖降脂的作用。Heiker等[32]則通過新型的包涵體復性方法，得到了克級的gAd,同樣證明了其具有增加ACC磷酸化和降糖的作用。這兩種生產方法的產量都能夠保證其完成臨床前研究。雖然gAd在炎癥反應中所發揮的作用還不明確，但其調節糖脂代謝、改善胰島素抵抗和保護胰島β細胞及血管的作用，為預防及治療糖尿病及其血管并發癥提供了新的思路和靶點。而gAd在炎癥反應中所發生的作用可能還需要對其分子機制進行更為詳細、徹底的闡釋。

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