運動對Toll樣受體4介導的胰島素抵抗的影響

趙 軍 趙美琴 李淑芬 阮 凌 (暨南大學體育部，廣東 廣州 5063)

哺乳動物的Toll樣受體(TLR4)是跨膜蛋白質，能識別微生物的病原相關分子模式配體并介導機體的固有免疫反應，單核巨噬細胞、樹突細胞均表達TLR4〔1〕。研究證明動物和人體胰島素敏感組織和細胞也同樣存在著TLR4蛋白質表達，如骨骼肌纖維〔2〕、脂肪細胞〔3，4〕、肝細胞〔5〕等，能夠識別脂多糖和其他內源性配體，如飽和脂肪酸(SFAs)等。在肥胖的發生與發展過程中，慢性低水平炎癥是胰島素抵抗(IR)發生的重要機制之一，而TLR4〔6〕在聯系肥胖、慢性低水平炎癥、IR之間起著關鍵的橋梁作用。適宜的運動具有良好的抗炎效應，且副作用低，因而是代謝綜合征(MS)、糖尿病(DM)的理想的治療手段之一，但是運動抗炎的具體機制尚不明確。近來研究表明，運動具有下調脂肪細胞、骨骼肌纖維TLR4的基因表達及蛋白質水平、抑制TLR4介導的信號傳導的作用，可能是運動改善外周組織IR的重要機制之一。使用TLR4抑制性藥物與運動的良性效應之間無累加效應〔7〕，說明運動針對TLR4靶點治療的有效性和替代該靶點藥物治療的可能性。

1 Toll樣受體的概述

哺乳動物的TLRs，包括12個成員，是含Ⅰ型跨膜受體家族，其特征是胞外富含亮氨酸重復單位域、胞內Toll/IL1受體(TIR)域(與 IL1 受體同源)〔8，9〕。TIR 域是激活其下游信號以及募集各種銜接分子并與之相互反應所必需的結構。TLRs在細胞特定的區域表達，脂多糖、病毒單鏈RNA、脂肪酸、細菌鞭毛蛋白等均是其配體，但由于TLRs在胞外區的氨基酸組成差異很大，各個 TLR 有特異性配體。TLR1、2、4、5、6、11 表達于細胞膜表面，而 TLR3、7、8、9 表達于胞內如內質網和內涵體〔8〕。

配體與TLRs結合后，導致各種TIR域下游銜接分子的募集，如TIR域-信號肽接頭分子如 MyD88、TIR域-銜接蛋白質(TIRAP)、TIR域-含誘導干擾素類的銜接子(TRIF)、TRIF相關的銜接分子(TRAM)，可以將其分為依賴 MyD88或TRIF的TLR信號傳導途徑。MyD88是絕大多數TLRs信號傳導的銜接分子，也是 IL1受體家族的銜接分子成員〔10〕。配體結合于TLR1、2、4、5、6、7、9、11 后募集 MyD88。另外，TLR1、2、4、6 也募集TIRAP，充當受體分子胞內域與MyD88之間的銜接分子。除募集MyD88外，TLR3、4受體尤其依賴于信號銜接分子TRIF。TLR3、4誘導產生的Ⅰ型干擾素必須依賴于TRIF，而誘導炎性介質生成必須募集MyD88〔11，12〕。TLR4是結構了解最清楚的TLRs，激活后觸發信號級聯反應致NFκB以及MAPK如P38、JNK和ERK1/2的激活，誘導炎性因子如腫瘤壞死因子(TNF)α、IL-6和Ⅰ型干擾素的表達。

2 TLR4介導的IR效應

IR涉及大量的病理生理機制，胰島素信號傳導通路的缺陷、脂肪因子和IR細胞因子水平和(或)活性的變化、血脂紊亂/脂質代謝異常均能導致或聯合導致IR。而TLR4下游的轉錄因子(JNK、NFκB)、炎性細胞因子(TNFα、IL-6)，可以在胰島素信號傳導的多個水平導致 IR〔13，14〕。

細胞培養、轉基因動物實驗和人體實驗已證明，骨骼肌、脂肪細胞、肝細胞、單核巨噬細胞的TLR4激活及其介導的炎性因子生成是高脂飲食誘發的外周IR的重要機制。脂多糖(LPS)、SFAs及其中間代謝產物均是TLR2、4的內源性配體。月桂酸(十二烷酸)是LPS結構中所包含的中鏈脂肪酸成分，能激活巨噬細胞系的 TLR4 信號傳導〔15，16〕。SFAs能夠激活脂肪細胞〔17〕、骨骼肌纖維〔18〕的TLR4信號傳導;缺乏或敲除 TLR4時，SFAs激活脂肪細胞或脂肪組織、巨噬細胞、骨骼肌纖維、肝細胞〔19〕的炎癥信號途徑被減弱。肥胖患者通常伴有血漿SFAs升高，提示SFAs激活TLR4的信號傳導可能是IR的重要機制之一。不同鏈長度的SFAs激活骨骼肌TLRs的能力有區別，故SFAs長度與骨骼肌IR有關聯〔20〕。軟脂酸(16碳)和硬脂酸(18碳)能夠激活骨骼肌炎性信號并導致IR，而12碳的月桂酸不能激活骨骼肌TLR4，也不能誘導產生IR〔21〕。TLR4缺乏〔22〕或變異〔23〕能夠改善飲食性肥胖以及SFAs所導致的IR。

SFAs的中間代謝產物，如神經酰胺和二酰甘油，不僅能在IRS-1和 Akt水平直接干擾細胞內胰島素信號傳導〔24，25〕，產生IR〔26〕;而且，神經酰胺能激活TLR4，促進炎性因子生成，干擾胰島素信號傳導〔27〕。此外，神經酰胺還能放大SFAs激活單核細胞/巨噬細胞TLR4介導的炎癥效應〔28〕。

LPS也可能是機體代謝紊亂和早期炎癥傾向發生的重要觸發因素。腸道內的死亡的革蘭氏陰性菌胞壁產生LPS，通過腸道的TLR4機制進入腸道內的毛細血管，隨血循環到達其靶器官后，激活TLR4信號傳導，觸發炎癥反應〔29〕。高脂飲食會增加了腸道內的革蘭氏陰性菌的數量，4W的高脂飲食能夠顯著增加小鼠血漿LPS的水平〔30〕。

肥胖時，外周胰島素敏感組織不僅存在著TLR4信號傳導通路的激活，而且還存在著TLR4基因表達和蛋白質的水平上調。肥胖和Ⅱ型DM(T2DM)患者的骨骼肌纖維〔18〕、高脂飲食性肥胖小鼠的脂肪細胞〔31〕，TLR4的基因表達和蛋白質水平均顯著性升高，并且與IR的嚴重程度密切相關。

TLR2也與IR相關。抑制TLR2也能改善高脂飲食下小鼠骨骼肌〔32〕、白色脂肪組織〔32〕、肝細胞〔33〕的胰島素敏感性和胰島素信號傳導。而且，siRNA抑制骨骼肌纖維TLR2的表達能夠改善軟脂酸刺激骨骼肌纖維引起的IR現象〔34〕。

3 運動對TLRs的影響及其調節機制

力竭運動對機體的各組織的TLR的表達以及炎性細胞因子生成影響不同。Rosa等〔35〕將10 U齡SD大鼠以20 m/min運動強度相當于70%VO2max跑臺運動55 min后，再按1 m/min增加跑速直至力竭。大鼠趾長伸肌、比目魚肌、腹膜后脂肪組織、腸系膜脂肪組織IL-6、TNFα均顯著性升高，并且腹膜后脂肪組織、腸系膜脂肪組織的TLR4、Myd88、TRAF6表達在運動后的不同時間段分別顯著性升高，且腸系膜脂肪組織NFκB的DNA結合能力顯著性升高〔36〕。提示對于肥胖和IR患者來說，力竭性運動或疲勞性運動可能會進一步提升脂肪因子IL-6、TNFα的表達水平，加重機體的慢性炎癥與IR。

長期有氧耐力運動能夠增進胰島素信號傳導，改善機體的慢性炎癥傾向的作用，而有氧運動下調胰島素敏感組織的TLR4基因表達和受體后信號傳導可能是其重要機制之一。低強度有氧耐力運動能顯著性降低肥胖大鼠血漿LPS、骨骼肌、脂肪、肝臟等組織的TLR4的表達、減少NFκB等轉錄因子和炎性細胞因子的生成，改善慢性炎癥狀態〔7〕。Oliveira等〔7〕發現高脂飲食導致的肥胖Wistar大鼠在持續8 w、每周5 d的1 h游泳運動后，血漿LPS顯著性下降，肝臟、骨骼肌、脂肪組織的TLR4、MyD88蛋白水平較肥胖安靜組顯著性下降，IKKβ和JNK磷酸化水平顯著性下降，肝臟、骨骼肌、脂肪組織的IR顯著性改善，骨骼肌的葡萄糖吸收顯著性增加，并且胰島素信號傳導改善效應持續至運動后36 h。而對于一次低強度游泳運動(6 h，間隔45 min)，也能顯著性地降低肝臟、骨骼肌、脂肪組織的MyD88、IKKβ和JNK磷酸化水平，改善胰島素信號傳導。長期游泳運動能夠從轉錄水平上調節肝臟、骨骼肌、脂肪組織的TLR4水平，TLR4mRNA和其蛋白質表達的下調幅度相似;而一次急性運動僅能下調骨骼肌的TLR4mRNA水平，但TLR4蛋白質水平卻沒有顯著性變化。

關于運動改善TLR4的表達和蛋白質水平的具體機制尚不清楚。急性低強度運動改善TLR4軸和IR的效應可能與減少TLR4內源性配體LPS密切相關，也可能與急性運動后糖皮質激素的分泌增加，導致的免疫抑制效應有關〔37〕。長期低強度運動誘導組織TLR4表達下調除了下調血漿LPS濃度外〔38〕，也可能與巨噬細胞滲入組織過程受到抑制以及巨噬細胞由M1亞型(促炎癥表型)向M2亞型(抑炎癥表型)轉換有關〔39〕;運動對熱休克蛋白〔40〕、活性氧自由基、過氧化脂質的影響也可能會涉及細胞TLR4基因的表達和信號的傳導〔41〕。

藥物(TAK-242)抑制高脂飲食性肥胖大鼠TLR4，在抗炎和改善胰島素信號傳導方面，會產生與運動相似的效果，骨骼肌、脂肪細胞的TLR4/MyD88軸以及IKKβ、JNK磷酸化水平顯著性下降;而TAK-242與低強度游泳聯合干預肥胖大鼠并不能增加對TLR4干預的效果;C3H/HeJ小鼠的TLR4基因變異，能夠抵制高脂飲食產生的胰島素敏感組織抵抗效應。運動對該小鼠的IKKβ和JNK磷酸化水平沒有影響〔7〕。所以，合適的運動是針對IR組織TLR4靶點治療的有效手段，由于運動的副作用小，可能優于該靶點的藥物治療。

最近研究發現生理性饑餓狀態下，可能由于血SFAs的濃度升高導致TLR4激活，TLR4下游物質會抑制骨骼肌中葡萄糖向脂肪的轉化來有效地維持生理性饑餓下機體的血糖、血脂的穩態。涉及的機制可能是TLR4激活后抑制骨骼肌纖維線粒體的丙酮酸脫氫酶復合體的活性來控制丙酮酸脫氫脫羧和乙酰輔酶A的生成，減少葡萄糖不可逆性氧化，維持血糖濃度;以及抑制骨骼肌的脂肪合成酶活性來減少骨骼肌及血漿中的脂質水平。而TLR4基因敲除的轉基因小鼠在饑餓時會產生嚴重的低血糖、血漿和骨骼肌脂質水平升高〔42〕。那么，相對于合適的運動下調TLR4表達和蛋白水平來說，藥物性TLR4抑制很可能會有嚴重的副作用，如低血糖和高血脂。所以針對于不同運動對多種組織的TLR4的影響及其機制值得深入研究。

中等和較高負荷運動能夠改善機體的IR，也可能與其下調細胞TLR4mRNA水平，改善肥胖等患者的胰島素信號傳導有關。肥胖衰弱的老年人進行12 w較高強度的有氧運動(負荷為80% ～90%最高心率)聯合80%1RM(repetition maximum，竭力的重復次數)的力量練習，3次/w，每次有氧運動持續20～30 min，每組力量練習重復6～8次、2組/d。結果發現，受試者骨骼肌內TLR4、TNRα、IL-6的基因表達顯著性下降，并且與體重下降無關〔43〕。動物實驗表明〔44〕，大強度力量訓練能夠降低正常野生大鼠骨骼肌TLR4、降低TNRα/IL-10。

中等以上強度的運動能夠促進正常生理情況下的骨骼肌分泌IL-6增加。而人成肌細胞培養試驗表明〔45〕，40 ng/ml的IL-6與成肌細胞共培養24和72 h后，通過STAT3途徑，能夠促進成肌細胞表達TLR4，降低Akt(Ser473)磷酸化，抑制胰島素信號傳導。近來對IL-6的生理作用爭議較多，主要由于IL-6的生理效應依賴于其濃度和刺激持續時間的長短，并且不同組織細胞對其反應也不同。中等負荷以上的有氧運動對不同組織的TLR4是否會有不同的影響，以及是否能降低組織TLR4表達升高和炎性信號的傳導，目前尚不清楚。

4 小結

有氧運動能減少高脂飲食促進的外周胰島素敏感組織和細胞TLR4的表達和蛋白質水平，進而改善胰島素敏感性。研究顯示，大量的普通性食物中也含有較高水平的TLR2和4的興奮劑，主要是細菌脂肽和LPS成分〔46〕，而且也存在于新鮮的經過簡單加工的蔬菜，如豆芽、芹菜等〔47〕，并且人類的TLR4對脂肽和LPS刺激的域值較嚙齒類動物要低幾百倍〔48〕，所以深入研究機體TLR4激活和對組織胰島素敏感性的影響及不同運動對胰島素敏感組織TLR4的表達及其下游信號傳導的影響具有重要意義。

1 Muzio M，Mantovani A.Toll-like receptors〔J〕.Microbes Infect，2000;2(3):251-5.

2 Varma V，Yao-Borengasser A，Rasouli N，et al.Muscle inflammatory response and insulin resistance:synergistic interaction between macrophages and fatty acids leads to impaired insulin action〔J〕.Am J Physiol Endocrinol Metab，2009;296(6):E1300-10.

3 Youssef-Elabd EM，McGee KC，Tripathi G，et al.Acute and chronic saturated fatty acid treatment as a key instigator of the TLR-mediated inflammatory response in human adipose tissue，in vitro〔J〕.J Nutr Biochem，2012;23(1):39-50.

4 張紅梅.武漢漢族人群TLR4、RAGE基因多態性與糖尿病相關性研究及人體白色脂肪組織TLR4表達與肥胖相關性研究〔D〕.華中科技大學博士論文，2008.

5 Bertola A，Bonnafous S，Anty R，et al.Hepatic expression patterns of inflammatory and immune response genes associated with obesity and NASH in morbidly obese patients〔J〕.PLos One，2010;5(10):e13577.

6 Fessler MB，Rudel LL，Brown JM.Toll-like receptor signaling links dietary fatty acids to the metabolic syndrome〔J〕.Curr Opin Lipidol，2009;20(5):379-85.

7 Oliveira AG，Carvalho BM，Tobar N，et al.Physical exercise reduces circulating lipopolysaccharide and TLR4 activation and improves insulin signaling in tissues of DIO Rats〔J〕.Diabetes，2011;60(3):784-96.

8 Kumar H，Kawai T，Akira S.Toll-like receptors and innate immunity〔J〕.Biochem Biophys Res Commun，2009;388(4):621-5.

9 Medzhitov R.Toll-like receptors and innate immunity〔J〕.Nat Rev Immunol，2001;1(2):135-45.

10 Kawai T，Adachi O，Ogawa T，et al.Unresponsiveness of MyD88-deficient mice to endotoxin〔J〕.Immunity，1999;11(1):115-22.

11 Kawai T，Akira S.TLR signaling〔J〕.Cell Death Differ，2006;13(5):816-25.

12 Yamamoto M，Sato S，Hemmi H，et al.Role of adaptor TRIF in the MyD88-independent toll-like receptor signaling pathway〔J〕.Science，2003;301(5633):640-3.

13 Arkan MC，Hevener AL，Greten FR，et al.IKK-beta links inflammation to obesity-induced insulin resistance〔J〕.Nat Med，2005;11(2):191-8.

14 Cai D，Yuan M，Frantz DF，et al.Local and systemic insulin resistance resulting from hepatic activation of IKK-beta and NF-kappaB〔J〕.Nat Med，2005;11(2):183-90.

15 Pasare C，Medzhitov R.Toll-like receptors:linking innate and adaptive immunity〔J〕.Microbes Infect，2004;6(15):1382-7.

16 Lee JY，Ye J，Gao Z，et al.Reciprocal modulation of Toll-like receptor-4 signaling pathways involving MyD88 and phosphatidylinositol 3-kinase/AKT by saturated and polyunsaturated fatty acids〔J〕.J Biol Chem，2003;278(39):37041-51.

17 Kopp A，Buechler C，Bala M，et al.Toll-like receptor ligands cause proinflammatory and prodiabetic activation of adipocytes via phosphorylation of extracellular signal-regulated kinase and c-Jun N-terminal kinase but not interferon regulatory factor-3〔J〕.Endocrinology，2010;151(3):1097-108.

18 Reyna SM，Ghosh S，Tantiwong P，et al.Elevated toll-like receptor 4 expression and signaling in muscle from insulin-resistant subjects〔J〕.Diabetes，2008;57(10):2595-602.

19 Shi H，Kokoeva MV，Inouye K，et al.TLR4 links innate immunity and fatty acid-induced insulin resistance〔J〕.J Clin Invest，2006;116(11):3015-25.

20 Hommelberg PP，Plat J，Langen RC，et al.Fatty acid-induced NF-kappaB activation and insulin resistance in skeletal muscle are chain length dependent〔J〕.Am J Physiol Endocrinol Metab，2009;296(1):E114-20.

21 Tsukumo DM，Carvalho-Filho MA，Carvalheira JB，et al.Loss-of-function mutation in Toll-like receptor 4 prevents diet-induced obesity and insulin resistance〔J〕.Diabetes，2007;56(8):1986-98.

22 Davis JE，Gabler NK，Walker-Daniels J，et al.Tlr-4 deficiency selectively protects against obesity induced by diets high in saturated fat〔J〕.O-besity(Silver Spring)，2008;16(6):1248-55.

23 Poggi M，Bastelica D，Gual P，et al.C3H/HeJ mice carrying a toll-like receptor 4 mutation are protected against the development of insulin resistance in white adipose tissue in response to a high-fat diet〔J〕.Diabetologia，2007;50(6):1267-76.

24 Summers SA，Garza LA，Zhou H，et al.Regulation of insulin-stimulated glucose transporter GLUT4 translocation and Akt kinase activity by ceramide〔J〕.Mol Cell Biol，1998;18(9):5457-64.

25 Samuel VT，Petersen KF，Shulman GI.Lipid-induced insulin resistance:unravelling the mechanism〔J〕.Lancet，2010;375(9733):2267-77.

26 Shulman GI.Cellular mechanisms of insulin resistance〔J〕.J Clin Invest，2000;106(2):171-6.

27 Fischer H，Ellstrom P，Ekstrom K，et al.Ceramide as a TLR4 agonist;a putative signalling intermediate between sphingolipid receptors for microbial ligands and TLR4〔J〕.Cell Microbiol，2007;9(5):1239-51.

28 Schwartz EA，Zhang WY，Karnik SK，et al.Nutrient modification of the innate mmune response:a novel mechanism by which saturated fatty acids greatly amplify monocyte inflammation〔J〕.Arterioscler Thromb Vasc Biol，2010;30(4):802-8.

29 Cani PD，Amar J，Iglesias MA，et al.Metabolic endotoxemia initiates obesity and insulin resistance〔J〕.Diabetes，2007;56(7):1761-72.

30 Cani PD，Bibiloni R，Knauf C，et al.Changes in gut microbiota control metabolic endotoxemia-induced inflammation in high-fat diet-induced obesity and diabetes in mice〔J〕.Diabetes，2008;57(6):1470-81.

31 Song MJ，Kim KH，Yoon JM，et al.Activation of Toll-like receptor 4 is associated with insulin resistance in adipocytes〔J〕.Biochem Biophys Res Commun，2006;346(3):739-45.

32 Caricilli AM，Nascimento PH，Pauli JR，et al.Inhibition of toll-like receptor 2 expression improves insulin sensitivity and signaling in muscle and white adipose tissue of mice fed a high-fat diet〔J〕.J Endocrinol，2008;199(3):399-406.

33 Kuo LH，Tsai PJ，Jiang MJ，et al.Toll-like receptor 2 deficiency improves insulin sensitivity and hepatic insulin signalling in the mouse〔J〕.Diabetologia，2011;54(1):168-79.

34 Senn JJ.Toll-like receptor-2 is essential for the development of palmitate-induced insulin resistance in myotubes〔J〕.J Biol Chem，2006;281(37):26865-75.

35 Rosa NJC，Lira FS，Oyama LM，et al.Exhaustive exercise causes an antiinflammatory effect in skeletal muscle and a pro-inflammatory effect in adipose tissue in rats〔J〕.Eur J Appl Physiol，2009;106(5):697-704.

36 Rosa JC，Lira FS，Eguchi R，et al.Exhaustive exercise increases inflammatory response via toll like receptor-4 and NF-kappaB p65 pathway in rat adipose tissue〔J〕.J Cell Physiol，2011;226(6):1604-7.

37 Jin X，Qin Q，Tu L，et al.Glucocorticoids inhibit the innate immune system of human corneal fibroblast through their suppression of toll-like receptors〔J〕.Mol Vis，2009;15:2435-41.

38 Musch TI，Eklund KE，Hageman KS，et al.Altered regional blood flow responses to submaximal exercise in older rats〔J〕.J Appl Physiol，2004;96(1):81-8.

39 Kawanishi N，Yano H，Yokogawa Y，et al.Exercise training inhibits inflammation in adipose tissue via both suppression of macrophage infiltration and acceleration of phenotypic switching from M1 to M2 macrophages in high-fat-diet-induced obese mice〔J〕.Exerc Immunol Rev，2010;16:105-18.

40 Liu Y，Lormes W，Wang L，et al.Different skeletal muscle HSP70 responses to high-intensity strength training and low-intensity endurance training〔J〕.Eur J Appl Physiol，2004;91(2-3):330-5.

41 Zanchi NE，Bechara LR，Tanaka LY，et al.Moderate exercise training decreases aortic superoxide production in myocardial infarcted rats〔J〕.Eur J Appl Physiol，2008;104(6):1045-52.

42 Pang S，Tang H，Zhuo S，et al.Regulation of fasting fuel metabolism by toll-like receptor 4〔J〕.Diabetes，2010;59(12):3041-8.

43 Lambert CP，Wright NR，Finck BN，et al.Exercise but not diet-induced weight loss decreases skeletal muscle inflammatory gene expression in frail obese elderly persons〔J〕.J Appl Physiol，2008;105(2):473-8.

44 Zanchi NE，Lira FS，de Siqueira Filho MA，et al.Chronic low frequency/low volume resistance training reduces pro-inflammatory cytokine protein levels and TLR4 mRNA in rat skeletal muscle〔J〕.Eur J Appl Physiol，2010;109(6):1095-102.

45 Kim TH，Choi SE，Ha ES，et al.IL-6 induction of TLR-4 gene expression via STAT3 has an effect on insulin resistance in human skeletal muscle〔J〕.Acta Diabetol，2011;Feb4(Epu b ahead of print).

46 Lappin DF，Sherrabeh S，Erridge C.Stimulants of Toll-like receptors 2 and 4 are elevated in saliva of periodontitis patients compared with healthy subjects〔J〕.J Clin Periodontol，2011;38(4):318-25.

47 Erridge C.The capacity of foodstuffs to induce innate immune activation of human monocytes in vitro is dependent on food content of stimulants of Toll-like receptors 2 and 4〔J〕.Br J Nutr，2011;105(1):15-23.

48 Copeland S，Warren HS，Lowry SF，et al.Acute inflammatory response to endotoxin in mice and humans〔J〕.Clin Diagn Lab Immunol，2005;12(1):60-7.