脂聯素發揮生物學效應的信號傳導機制

任 超， 張 勇， 梁家立， 張 波， 鄭德志

(解放軍聯勤保障部隊第九六〇醫院心胸外科， 山東 濟南 250031)

脂肪組織主要以甘油三酯的形式儲存能量。在過去的二十多年里，脂肪組織也被證實是一種重要的內分泌器官，通過分泌多種激素調節各種生理功能。脂聯素因其多效性而受到人們的極大關注。研究表明，包括肥胖、糖尿病和動脈粥樣硬化在內的各種疾病狀態與較低的脂聯素濃度相關。已經發現脂聯素具有胰島素增敏、抗炎、抗動脈粥樣硬化、抗凋亡、促血管生成和促脂肪生成等生物學作用。本文系統綜述脂聯素發揮其生物學效應的信號傳導機制，為其成為藥物開發的臨床治療靶點提供科學指導和理論依據。

1 脂聯素的發現及形態結構

1.1脂聯素的發現：1995年Scherer等人發表了關于脂聯素的初步報告。利用消減cDNA篩選技術，3T3-L1脂肪細胞分化過程中發現了的一種mRNA，其被誘導了100倍以上，進而發現了這種新編碼的蛋白質，最初被命名為30kDa的脂肪細胞補體相關蛋白(Acrp30)[1]。1996年，Hu等人利用mRNA差異顯示技術分離出一種新的脂肪基因，他們將其命名為AdipoQ；同樣在1996年，Maeda等人對人類脂肪組織構建了一個cDNA庫，并研究證實脂聯素是脂肪組織最豐富的分泌物，并將其命名為apM1。Nakano等人利用明膠的親和色譜法從人血漿中發現一種新的蛋白質，他們將其命名為28kDa的明膠結合蛋白(GBP28)。GBP28的氨基酸序列顯示與Acrp30有82.7%的同源性，可以說Acrp30相當于小鼠的GBP28。

1.2脂聯素的形態結構:脂聯素是一種30kDa的單體糖蛋白。小鼠脂聯素含有247個氨基酸，而人脂聯素含由244個氨基酸，兩者同源性為83%。脂聯素由一個N端信號序列、一個非同源或高變區、一個含有22個膠原重復序列的膠原結構域(8個Gly-X-Pro和14個Gly-X-Y)和一個C端C1q樣球狀結構域組成。脂聯素的N端高變區含有一個半胱氨酸殘基(小鼠為Cys-39，人為Cys-36)，其后是一個膠原結構域，內含多個的賴氨酸和脯氨酸殘基。脂聯素主要在脂肪細胞中產生，其中單體蛋白被翻譯后修飾成不同的多聚體。大腸桿菌產生的重組脂聯素僅由單體脂聯素組成，證明脂聯素多聚體的形成需要哺乳動物脂肪細胞的翻譯加工。哺乳動物產生的脂聯素可以利用高速離心沉淀形成多聚體。這些多聚體復合物由三種形式構成：低分子量形式(LMW，三聚體，90kDa)，中等分子量形式(MMW，六聚體，180kDa)，和高分子量形式(HMW，12～18個單體，360～540kDa)。多聚體的形成依賴于在N末端高變區由Cys-39介導的二硫鍵的形成，利于脂聯素多種生物學作用的發揮[2]。

2 脂聯素的表達和分泌

脂聯素在血漿中的循環濃度非常高(體重指數BMI<25:男性4～26μg/mL，女性5～37μg/mL-梅奧醫學文庫)，約占血清總蛋白的0.01%～0.05%。這大約比人類的大多數激素(包括瘦素和胰島素)大三個數量級[3]。循環脂聯素濃度存在性別差異，女性的總脂聯素和HMW脂聯素水平均高于男性，這主要是由于男性體內的睪酮抑制了HMW脂聯素的產生。全長脂聯素在血清中循環主要以三種形式:三聚體、六聚體和HMW脂聯素。這些多聚體具有不同的生理特征，且在血清中不會相互轉化。脂聯素在血清中的半衰期相對較長(2.5～6h)，其分泌存在晝夜變化，白天濃度較高。血漿脂聯素濃度受許多因素的影響。大量研究表明，胰島素可刺激3T3-L1脂肪細胞中脂聯素基因表達和分泌。也有報道稱在類似的脂肪細胞模型系統中，胰島素以劑量和時間依賴的方式下調脂聯素基因表達。胰島素樣生長因子(IGF-1)和生長激素(GH)可以促進鼠和人脂肪組織中脂聯素基因的表達和分泌。瘦素也被證明以劑量依賴的方式增加脂聯素mRNA和蛋白質的生成[4]。相反，TNF-α和白細胞介素-6(IL-6)抑制3T3-L1脂肪細胞的脂聯素基因表達和分泌。

3 脂聯素的生物學功能

經過科研人員20多年的不斷努力，基本證實了脂聯素的多種生物學功能：①胰島素增敏作用：脂聯素可以促進胰島素敏感性并降低胰島素抵抗；②抗炎作用：大量嚙齒動物和人類研究表明，脂聯素在各種疾病狀態下具有抗炎特性，其主要是通過多種方式影響巨噬細胞的功能實現的；③保護血管作用：脂聯素通過抑制內皮炎癥反應、促使巨噬細胞向泡沫細胞轉化和增加血管平滑肌的增殖，產生抗動脈粥樣硬化作用；④心臟保護作用：除了通過減輕炎癥，脂聯素還可以減輕壓力超負荷狀態導致的心肌肥大，抑制心肌重塑，保護心臟；⑤腎保護作用：脂聯素可以降低腎足細胞的氧化應激和白蛋白滲透性，保護腎足細胞免于細胞凋亡；⑥結腸保護作用：脂聯素通過促進腸上皮層的存活和結腸的抗炎作用對結腸提供保護；⑦促進創面愈合：脂聯素可以刺激角質細胞增殖，并促進傷口愈合。

4 脂聯素的信號傳導機制

4.1脂聯素受體與信號傳導:2003年，脂聯素受體1和脂聯素受體2(AdipoR1,AdipoR2)首次被發現并證明為脂聯素受體。AdipoR1在骨骼肌中表達更高，而AdipoR2大多局限于肝臟。AdipoR1是球狀脂聯素的高親和力受體，也是全長脂聯素的低親和力受體，而AdipoR2是球狀和全長脂聯素的中性受體。AdipoR1和R2在結構上相互關聯，在蛋白質水平上有67%的同源性。與其他G蛋白偶聯受體(GPCRs)相似，AdipoR1和R2都含有7個跨膜結構域。然而，它們在結構和功能上與所有已知的GPCRs相反，脂聯素受體的N端位于細胞內，C端位于細胞外。脂聯素受體屬于孕酮和脂聯素Q受體(PAQR)家族[5]。人AdipoR1和R2的結晶表明了一種新的結構類型，其中AdipoR1和R2都有一個由七個跨膜螺旋包圍的大空腔[5]。配體和受體的相互作用發生在脂聯素的球狀結構域和受體的細胞外表面之間。

AdipoR1和R2含有鋅結合的催化位點，位于質膜內表面附近[5]。脂聯素與AdipoR1和R2的鋅結合位點結合，引發一系列下游信號事件，包括骨骼肌、肝臟、心臟、腎臟和胰腺[6]。球狀和全長脂聯素激活AdipoR1和R2，增加腺苷單磷酸蛋白激酶(AMPK)和p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)磷酸化，增加過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)配體活性，導致脂肪酸氧化和葡萄糖利用增加。在基因改造ob/ob小鼠中，腺病毒過表達AdipoR1可以激活AMPK，導致糖異生基因表達減少。腺病毒在ob/ob小鼠中過度表達AdipoR2可增加AMPK活化和PPARα活性。

4.2銜接蛋白APPL1:2006年，發現了一種含有pleckstrin同源結構域、磷酸酪氨酸結合結構域和亮氨酸拉鏈基序蛋白(APPL1)，它可以直接結合到AdipoR1和R2的細胞內區域，被鑒定為脂聯素的銜接蛋白。脂聯素通過APPL1與AdipoR1和R2結合，介導并激活了AMPK的下游信號，包括葡萄糖攝取和脂質氧化的增加。APPL1通過激活蛋白磷酸酶2A(PP2A)和使蛋白激酶Cζ(PKCζ)失活，來刺激脂聯素介導的AMPK激活，使肝激酶B1(LKB1)去磷酸化，這使得LKB1從細胞核轉移到胞質并磷酸化AMPK[7]。脂聯素還刺激APPL1和Rab5(APPL1下游的一種小GTP酶)和p38MAPK之間的相互作用，導致葡萄糖攝取增加。最近的離體和在體小鼠研究表明，APPL1可以刺激胰島素和脂聯素結合到它們各自的受體上，促進胰島素受體底物1/2(IRS1/2)與胰島素受體的相互作用。APPL1基因敲除會損害脂聯素信號并導致胰島素靶組織產生胰島素抵抗[8]。因此，APPL1是脂聯素在全身能量穩態中作用的關鍵調節因子。值得注意的是，APPL1的另一種亞型APPL2對鼠骨骼肌細胞中的脂聯素信號產生負調節作用。其原因是APPL2通過其結構域直接與AdipoR1和R2結合，從而競爭性地阻止APPL1與脂聯素的相互作用并阻斷脂聯素信號傳導[9]。APPL1和APPL2也會結合形成損害脂聯素作用的異二聚體。脂聯素可以刺激APPL1/APPL2異二聚體解離，釋放APPL1并結合AdipoR1和R2[9]。這種方式也提示脂聯素信號具有自身調節功能。

4.3鈣調節機制:脂聯素也可以獨立于APPL1激活AMPK。脂聯素主要通過誘導細胞內儲存的鈣釋放，增加細胞外鈣進入細胞內，從而增加細胞內鈣的濃度，來激活AMPK。脂聯素激活磷脂酶C，隨后產生肌醇3-磷酸(IP3)，導致鈣從內質網釋放。從內質網釋放的鈣刺激Ca2+/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶激酶(CaMKK-β)，以非APPL1依賴方式激活AMPK。脂聯素也可以通過激活AdipoR1來促進細胞外鈣內流，其確切機制尚不清楚。鈣通過兩種途徑，鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(CaMK)途徑和AMPK途徑，刺激過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子-1α(PGC1-α)來激活SIRT1。鈣調節主要發生在骨骼肌，可以增加線粒體生物活性和氧化能力。

4.4神經酰胺的作用:神經酰胺是一種與胰島素抵抗、細胞死亡、炎癥和動脈粥樣硬化有關的鞘脂。脂聯素可以激活AdipoR1和R2降低細胞神經酰胺的表達[10]。糖尿病患者神經酰胺水平升高；而使用成纖維細胞生長因子21(FGF21)和TZDs來增加脂聯素，可以降低神經酰胺的水平[10]。具體而言，給予外源性脂聯素降低了肝臟和其他組織中的神經酰胺水平，導致肝臟胰島素敏感性增加。神經酰胺酶將神經酰胺水解為鞘氨醇，鞘氨醇被磷酸化為1-磷酸鞘氨醇(S1P)。S1P是促進細胞存活和增殖的有益因子[11]。基因敲除小鼠胚胎成纖維細胞(MEFs)中的AdipoR1和R2，降低了脂聯素誘導的神經酰胺酶活性，導致S1P濃度降低[6]。相反，肝臟中AdipoR1和AdipoR2的過度表達可以增加神經酰胺酶的活性，降低神經酰胺的含量并改善胰島素敏感性。脂聯素與AdipoR1和R2的結合，和/或脂聯素受體本身，可以誘導催化神經酰胺酶活性[6]。最近的結構研究表明，AdipoR2有一個內部隧道，允許神經酰胺在受體激活后從細胞內側進入[12]。一旦神經酰胺進入受體通道就被水解成鞘氨醇，鞘氨醇被釋放到細胞中并被磷酸化成S1P。AdipoR1沒有類似的內部隧道，但具有脂聯素依賴的神經酰胺酶活性[12]。

4.5T-鈣黏蛋白的作用:2004年，人們發現在C2C12小鼠成肌細胞中，T-鈣黏蛋白受體與脂聯素結合。T-鈣黏蛋白是一種非典型的糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨定的鈣粘蛋白細胞表面糖蛋白，參與鈣介導的細胞間接觸，在結構上不同于AdipoR1和R2。T-鈣黏蛋白受體沒有跨膜或胞內結構域，但在內皮細胞和平滑肌細胞中起結合脂聯素和促進脂聯素信號傳導的作用，內皮細胞和平滑肌細胞也是T-鈣黏蛋白表達的主要部位。T-鈣黏蛋白受體結合HMW和六聚體形式的脂聯素，但不結合三聚體、球狀或細菌產生的脂聯素多聚體，證明真核翻譯后修飾是脂聯素結合T-鈣黏蛋白受體并發揮正常生物學功能所必需的。在T-鈣黏蛋白基因敲除小鼠中，脂聯素循環水平，特別是HMW型脂聯素均升高。脂聯素通過抑制GPI磷脂酶介導的T-鈣黏蛋白從細胞表面的釋放，來調節組織T-鈣黏蛋白水平[13]。T-鈣黏蛋白通過促進細胞遷移和增殖，在脂聯素介導的慢性缺血后血管重建中起重要作用[13]。心肌細胞上的T-鈣黏蛋白還通過結合脂聯素，激活AMPK信號通路，發揮心臟抗肥厚保護功能。

4.6病理環境對信號傳導的影響:在糖尿病或肥胖等不同的病理生理狀態下，AdipoR1和R2表達發生變化。在鏈脲佐菌素(STZ)糖尿病小鼠(1型糖尿病模型)中，骨骼肌AdipoR1和R2的表達增加。胰島素治療可以降低兩種受體的高表達。與對照組相比，STZ糖尿病小鼠肝臟表達AdipoR1和R2并無顯著差異。然而，胰島素降低了STZ糖尿病小鼠肝臟中兩種受體的表達。在胰島素抵抗的ob/ob小鼠中(瘦素產生減少)，肌肉和脂肪組織中AdipoR1和R2的表達均減少，但肝臟中沒有減少。在Lepr-/-小鼠(瘦素受體突變，db/db)(肥胖和糖尿病的遺傳動物模型)中，肝臟中AdipoR1和R2表達均降低，并導致脂聯素敏感性降低及全身代謝受損相關。在Lepr-/-小鼠肝臟中，腺病毒介導的AdipoR1和R2的過表達分別增加了AMPK活化和PPARα信號通路，減少了糖異生和新生脂肪的形成，增加了脂肪酸氧化，從而改善了Lepr-/-小鼠的糖尿病病情。在人類2型糖尿病家族史患者中，骨骼肌AdipoR1和R2表達較低，兩種受體的表達與胰島素敏感性呈正相關。相反，Debard等人沒有觀察到2型糖尿病胰島素抵抗的肥胖患者中，骨骼肌AdipoR1或R2表達的任何顯著差異。肥胖患者皮下和內臟脂肪組織中AdipoR1和R2表達減少，且肥胖患者的體重減輕可增加AdipoR1基因的表達，而與AdipoR2無關。羅格列酮(一種TZD)可以增加脂肪組織中AdipoR1的表達，但降低骨骼肌中AdipoR1的表達，對AdipoR2沒有影響。相反，另一種TZD吡格列酮可以增加2型糖尿病患者骨骼肌中AdipoR1和R2的表達[14]。

5 小結與展望

在過去的20多年中，脂聯素因為其獨有的特性獲得了相當大的關注。本文綜述了脂聯素作為一種調節多種生理功能的多效性脂肪因子功能的傳導機制，使我們更充分的了解脂聯素如何發揮其生理作用的途徑，進一步為臨床尋找疾病的治療策略提供了合理的方向。

盡管如此，我們對脂聯素的研究在某些方面仍然有所欠缺。例如在心血管疾病方面，流行病學研究將脂聯素作為臨床標志物顯示出自相矛盾的結果：盡管脂聯素具有已經證實的心臟保護作用，高濃度的脂聯素與心血管事件數量的減少無關，而是與心血管死亡風險的增加有關。導致脂聯素與死亡率之間這種矛盾關系的基本生理機制很復雜，仍有待探討。

目前，我們還遠遠沒有弄清楚脂聯素發揮生理功能的確切方式。但毫無疑問，在不久的未來，臨床會應用大量的脂聯素制劑來預防和治療各種疾病。