脂连素球状域与糖尿病及其心血管并发症关系*

刘文超，高向东

中国药科大学生命科学与技术学院，南京 210009

糖尿病是世界性的流行病，据世界卫生组织报道，2000年全世界糖尿病患者占总人口的2.8%（1.7亿），预计2030年这个数字将达到4.8%（3.6亿）。这种疾病在中国成年人群中已经达到了流行的比例。目前研究估计9240万20岁及以上的成年人（占人口的9.7%）有糖尿病，而1482万成年人（15.5%）有前驱糖尿病，后者是出现显性糖尿病和心血管疾病的一个关键的风险[1]。在糖尿病病发过程中，常伴随着血浆内游离脂肪酸、胆固醇的增加，导致一些代谢综合征如动脉粥样硬化、心血管疾病的发生；而这些疾病正是造成糖尿病患者死亡的重要原因。脂肪组织不仅是存储能量的器官，还能分泌大量活性因子。作为一种脂肪因子，脂连素被认为与肥胖、2型糖尿病及心血管疾病发生相关。研究表明，肥胖及2型糖尿病患者血浆内脂连素的含量明显低于正常人。脂连素球状域是脂连素的活性区域，近年来研究提示比全长脂连素更具潜力。在体内实验中，脂连素球状域显示具有减轻胰岛素抵抗、调节糖脂代谢、抗动脉粥样硬化的作用。而其相应的作用机制也在近些年来被大量的研究阐释。本文将对该分子在糖尿病及其血管并发症中的作用机制做一综述。

1 脂连素与脂连素球状域

脂连素(adiponectin)是由脂肪组织特异性分泌的一种细胞因子，在人体血浆中含量高达2～20μg·mL-1。脂连素是由Scherer等于1995年首先发现并从3T3-L1脂肪细胞中提取到的。人脂连素含244个氨基酸，包括N端信号序列（1-18aa）、非同源区（19-41aa）、胶原域 （42-107aa）和C端球状域 （108-244aa）。C端球状域 （即脂连素球状域，globular adiponectin，gAd）为其功能域，含 137个氨基酸，与补体蛋白C1q的亚单位有高度的同源性。脂连素在血浆中主要以高聚合体、中聚合体及低聚合体形式存在,另外gAd也存在于血液循环中。不同聚合形式的脂连素与不同受体结合，激活相应的信号通路。目前两种脂连素受体adipoR1、adipoR2都已经被成功克隆。骨骼肌中富含adipoR1，对gAd具有高亲和性，但对脂连素具有低亲和性。肝脏中富含adipoR2，对脂连素和gAd具有中等亲和力[2]。

2 脂连素球状域与糖尿病

Fruebis等[3]首次报道了脂连素球状域的活性，认为其能够降低血糖和增加脂肪酸氧化，并且优于全长脂连素。Yamauchi等[4]则在ob/ob鼠模型中证实了脂连素球状域具有改善胰岛素抵抗、增加葡萄糖刺激的胰岛素分泌和保护胰岛β细胞的作用。因此，脂连素球状域被认为是潜在的抗糖尿病分子。而其抗糖尿病的作用主要是通过调节糖脂代谢、改善胰岛素抵抗及抑制胰岛β细胞凋亡实现的（图1）。

2.1 脂连素球状域与糖脂代谢

图1 脂连素球状域抗糖尿病功能示意图

脂连素球状域降低血糖的功能是通过抑制肝脏内葡萄糖的生成和增加肌肉或其他组织葡萄糖摄取实现的。这可能是由磷酸腺苷活化的蛋白激酶/乙酰辅酶A羧化酶(AMPK/ACC)机制调控的。在趾长伸肌中，通过gAd的作用，AMPK活性增加两倍，AMPK与ACC均被磷酸化，而在此过程中伴随着葡萄糖摄取的增加。在骨骼肌中，gAd增加葡萄糖摄取和ACC磷酸化，而这一作用在使用AMPK抑制剂后被抑制，表明AMPK激活参与了骨骼肌中的糖摄取过程。脂连素球状域同样通过AMPK途径增加脂肪细胞葡萄糖摄取，而不是通过刺激胰岛素受体或胰岛素受体底物1的酪氨酸磷酸化和丙氨酸氨基转移酶(Akt)的丝氨酸磷酸化[5]。研究表明，在骨骼肌中，gAd通过葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）的转位增加对葡萄糖的摄取，AMPK也参与了这个过程[6]。脂连素球状域促进骨骼肌细胞对游离脂肪酸的氧化也是通过激活AMPK实现的，而在肝脏中则没有这种作用。进一步研究表明，gAd能增加骨骼肌中诸如乙酰辅酶A氧化酶（ACO）等涉及脂肪酸氧化的分子，而对于肝脏则没有该作用。值得注意的是，对于肥胖或2型糖尿病个体的肌细胞，gAd促进葡萄糖摄取和游离脂肪酸氧化的能力被钝化。Chen等[7]指出在肥胖个体中，低浓度gAd激活AMPK的能力被钝化，高浓度则不受影响；在糖尿病个体中，高浓度的gAd能激活AMPK，但对ACC磷酸化和脂肪酸氧化不起作用。研究表明，这个作用并不是由于脂连素受体减少，而可能是在这种情况下脂连素受体下游信号会抑制AMPK途径。

2.2 脂连素球状域与胰岛素抵抗

脂连素球状域能够减轻胰岛素抵抗，这可能由于其具有调节糖脂代谢的功能，降低了组织周围的葡萄糖和游离脂肪酸的浓度，增强了胰岛素的敏感性。Yamauchi等[4]在ob/ob鼠模型中证实了脂连素球状域能够改善胰岛素抵抗，这一作用与ACO及解耦联蛋白2、3表达增加相关。揭示脂连素球状域通过增强脂肪酸氧化和调节能量代谢来改善胰岛素抵抗。在2型糖尿病个体肌肉中，脂连素球状域通过直接增加糖转运来改善胰岛素抵抗[8]。

2.3 脂连素球状域与胰岛β细胞

脂连素球状域能够保护胰岛β细胞阻止其细胞凋亡。在体外培养的胰岛INS-1细胞中,不同浓度的葡萄糖和游离脂肪酸能够降低AMPK和ACC的磷酸化水平，而gAd可以提高AMPK和ACC的磷酸化水平,此作用可以通过减弱糖向脂肪酸的转化、增强胰岛β细胞内的脂肪酸氧化水平，从而减轻三酰甘油聚集,保护胰岛β细胞功能[9]。Rakatzi等[10]研究表明，gAd抑制细胞因子和脂肪酸诱导的胰腺β细胞凋亡，且能修复自身免疫及脂毒性造成的β细胞胰岛素分泌障碍。抑制IκB激酶(IKK)，细胞因子和脂肪酸诱导的胰腺β细胞凋亡会减少，这说明NF-κB参与这一过程，但gAd抑制细胞因子和脂肪酸诱导的胰腺β细胞凋亡并不通过该机制。最新研究表明，脂连素球状域抑制胰腺β细胞凋亡及刺激β细胞胰岛素合成与分泌的功能不依赖脂连素受体及AMPK的激活，而是直接通过Akt及细胞外信号调节激酶（ERK）信号途径[11]。

3 脂连素球状域与心血管疾病

在2型糖尿病发生过程中，常伴随着血浆内游离脂肪酸、胆固醇的增加，导致一些代谢综合症如动脉粥样硬化、心血管疾病的发生。Yamauchi等[4]在载脂蛋白E(ApoE)缺乏鼠中转入gAd基因，高表达的gAd显著减少动脉粥样硬化损伤的形成。一些相关分子的检测发现，gAd能抑制A类清道夫受体（SRA）的表达，也能抑制粥样硬化损伤部位炎性因子TNFα的表达，但并不能抑制细胞间黏附分子1（ICAM-1）的表达。与对照组相比，脂蛋白、血清总胆固醇、高密度脂蛋白、游离脂肪酸、三酰甘油及载脂蛋白B的浓度并没有显著性差别，这说明gAd发挥的保护性作用可能是由于直接作用于血管壁和巨噬细胞，而不是间接地改变通常认为的引发动脉粥样硬化的危险因子。近些年来，gAd保护心血管及抗动脉粥样硬化的分子机制被大量研究所揭示。而内皮功能障碍可能与肥胖、糖尿病、心血管疾病的发生相关，是动脉粥样硬化发生的一个重要前兆。内皮功能障碍被定义为血管舒张的减少和促炎症因子的上调。gAd能通过增加NO分泌，引起血管舒张及血管修复。但目前gAd在炎症上发挥的作用还存在争议。

3.1 脂连素球状域与血管保护

研究表明，内皮NO合酶（eNOS）基因敲除鼠会发生高血压、高脂血症等心血管疾病。脂连素球状域使牛主动脉内皮细胞增加NO分泌。在人脐静脉内皮细胞中它也能导致eNOS磷酸化并潜在地激活eNOS。另外它还能上调eNOS基因，增加eNOS的表达。因此脂连素球状域增加NO分泌通过两种机制:激活eNOS和增加eNOS表达，表明其具有保护心血管系统的作用[12]。进一步研究发现，gAd诱发血管舒张是通过刺激热激蛋白90（HSP90）连接到eNOS并激活PI3-Akt途径实现的[13]。研究还表明，gAd在动脉阻力血管中也具有诱发血管舒张的功能。在瘦鼠动脉阻力血管中，gAd与脂连素都能够剂量依赖性引起血管舒张，但在糖尿病肥胖鼠动脉阻力血管中则没有作用[14]。在肥胖和糖尿病患者体内，游离脂肪酸、血管紧张素2、TNFα及葡萄糖浓度的增加会通过减少NO分泌、增加活性氧（ROS）产生损伤内皮细胞，而gAd则有修复受损细胞的功能。gAd通过稳定HSP90与eNOS之间的作用，抑制血管紧张素2诱发的内皮细胞凋亡[15]。gAd也能修复血管紧张素2或TNFα引起的内皮细胞受损，这个作用是通过环腺苷酸/蛋白激酶A(cAMP/PKA)途径调节微管及细胞骨架稳定性实现的[16]。高脂血症中ROS显著地增加，ROS在糖尿病引起的内皮障碍中发挥着重要作用。在高浓度葡萄糖环境中，gAd通过cAMP/PKA途径抑制ROS的产生，从而修复内皮细胞损伤[17]。通过内皮原代细胞（EPCs）的循环，受损的内皮单层细胞可以再生，但高浓度葡萄糖减少EPCs的数目、减弱EPCs的功能。gAd通过eNOS激活，能显著逆转高浓度葡萄糖导致的EPCs功能受损[18]。在高脂血症鼠中，gAd通过不同的机制保护受损的内皮细胞，包括激活eNOS、抑制诱导性 NO 合酶（iNOS）、抑制氧化/硝化反应[19]。在肥胖鼠中，gAd通过AMPK激活eNOS,增加NO释放，从而逆转内皮细胞受损[20]。

3.2 脂连素球状域与炎症

脂连素球状域在炎症中发挥的作用目前还存在争议。NF-κB在炎症发生过程中发挥重要的作用，NF-κB的激活促进炎症反应，导致心血管系统病变。在最初的研究中，gAd被认为不能激活NF-κB，只有脂连素高聚合体或中聚合体才能激活该途径。但随后发现，在激活的单核细胞或中性白细胞中，脂连素被白细胞弹性蛋白酶切割从而产生gAd,显示gAd可能与炎症反应相关[21]。Hattori等[22]使用gAd预处理人脐静脉内皮细胞2 h，发现gAd激活NF-κB；然而当预处理16 h时，gAd剂量依赖性地抑制NF-κB。Hattori等[23]继而在心肌细胞中研究gAd的作用，发现gAd激活NF-κB并引起血管紧张素2诱导的激活蛋白 1（AP-1）的激活，显示gAd在心肌细胞信号中发挥作用，可能导致心肌肥大。而Wang等[24]则认为，gAd通过AMPK介导NF-κB抑制，从而抑制心肌肥大。Tomizawa等[25]认为，gAd在内皮细胞中最初强烈地激活TNFα诱导的NF-κB途径，促进大量炎症因子的表达，经过长时间的孵育gAd对NF-κB的作用才转为抑制；而脂连素高聚合体只需孵育很短一段时间就能够抑制NF-κB途径。Tomizawad等[26]进一步研究发现，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丝裂素活化蛋白激酶(p38MAPK)，并诱导大量炎症因子如单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)、E 选择素(E-selectin)、IL-6和IL-8的表达。当然，gAd也具有一定的抗炎作用。Zhao等[27]研究，gAd通过ERK1/2和p38途径抑制瘦素诱导的TNFα表达。Ouedraogo等[28]首次证明，gAd通过NO途径抑制白细胞与内皮细胞的接触，从而发挥抗炎作用。Wu等[29]研究，gAd通过AMPK或cAMP/PKA途径抑制TNFα或高糖诱导的IKKβ的激活，从而发挥抗炎作用。Kamio等[30]研究表明，gAd抑制脂多糖诱导的TNFα表达、增强IL-10的表达，显示出gAd的抗炎特性。因此，gAd可能既有抗炎作用又有促炎症作用，这取决于它所参与的生理过程。

4 应用前景

作为脂连素的活性区域，脂连素球状域在改善糖尿病及其心血管并发症中显示出比全长脂连素更大的潜力。先前由于难以大量制备，限制了其临床应用。Liu等[31]在毕赤酵母中大量成功表达了gAd，并且证明了其具有增加ACC磷酸化和降糖降脂的作用。Heiker等[32]则通过新型的包涵体复性方法，得到了克级的gAd,同样证明了其具有增加ACC磷酸化和降糖的作用。这两种生产方法的产量都能够保证其完成临床前研究。虽然gAd在炎症反应中所发挥的作用还不明确，但其调节糖脂代谢、改善胰岛素抵抗和保护胰岛β细胞及血管的作用，为预防及治疗糖尿病及其血管并发症提供了新的思路和靶点。而gAd在炎症反应中所发生的作用可能还需要对其分子机制进行更为详细、彻底的阐释。

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