运动对Toll样受体4介导的胰岛素抵抗的影响

赵 军 赵美琴 李淑芬 阮 凌 (暨南大学体育部，广东 广州 5063)

哺乳动物的Toll样受体(TLR4)是跨膜蛋白质，能识别微生物的病原相关分子模式配体并介导机体的固有免疫反应，单核巨噬细胞、树突细胞均表达TLR4〔1〕。研究证明动物和人体胰岛素敏感组织和细胞也同样存在着TLR4蛋白质表达，如骨骼肌纤维〔2〕、脂肪细胞〔3，4〕、肝细胞〔5〕等，能够识别脂多糖和其他内源性配体，如饱和脂肪酸(SFAs)等。在肥胖的发生与发展过程中，慢性低水平炎症是胰岛素抵抗(IR)发生的重要机制之一，而TLR4〔6〕在联系肥胖、慢性低水平炎症、IR之间起着关键的桥梁作用。适宜的运动具有良好的抗炎效应，且副作用低，因而是代谢综合征(MS)、糖尿病(DM)的理想的治疗手段之一，但是运动抗炎的具体机制尚不明确。近来研究表明，运动具有下调脂肪细胞、骨骼肌纤维TLR4的基因表达及蛋白质水平、抑制TLR4介导的信号传导的作用，可能是运动改善外周组织IR的重要机制之一。使用TLR4抑制性药物与运动的良性效应之间无累加效应〔7〕，说明运动针对TLR4靶点治疗的有效性和替代该靶点药物治疗的可能性。

1 Toll样受体的概述

哺乳动物的TLRs，包括12个成员，是含Ⅰ型跨膜受体家族，其特征是胞外富含亮氨酸重复单位域、胞内Toll/IL1受体(TIR)域(与 IL1 受体同源)〔8，9〕。TIR 域是激活其下游信号以及募集各种衔接分子并与之相互反应所必需的结构。TLRs在细胞特定的区域表达，脂多糖、病毒单链RNA、脂肪酸、细菌鞭毛蛋白等均是其配体，但由于TLRs在胞外区的氨基酸组成差异很大，各个 TLR 有特异性配体。TLR1、2、4、5、6、11 表达于细胞膜表面，而 TLR3、7、8、9 表达于胞内如内质网和内涵体〔8〕。

配体与TLRs结合后，导致各种TIR域下游衔接分子的募集，如TIR域-信号肽接头分子如 MyD88、TIR域-衔接蛋白质(TIRAP)、TIR域-含诱导干扰素类的衔接子(TRIF)、TRIF相关的衔接分子(TRAM)，可以将其分为依赖 MyD88或TRIF的TLR信号传导途径。MyD88是绝大多数TLRs信号传导的衔接分子，也是 IL1受体家族的衔接分子成员〔10〕。配体结合于TLR1、2、4、5、6、7、9、11 后募集 MyD88。另外，TLR1、2、4、6 也募集TIRAP，充当受体分子胞内域与MyD88之间的衔接分子。除募集MyD88外，TLR3、4受体尤其依赖于信号衔接分子TRIF。TLR3、4诱导产生的Ⅰ型干扰素必须依赖于TRIF，而诱导炎性介质生成必须募集MyD88〔11，12〕。TLR4是结构了解最清楚的TLRs，激活后触发信号级联反应致NFκB以及MAPK如P38、JNK和ERK1/2的激活，诱导炎性因子如肿瘤坏死因子(TNF)α、IL-6和Ⅰ型干扰素的表达。

2 TLR4介导的IR效应

IR涉及大量的病理生理机制，胰岛素信号传导通路的缺陷、脂肪因子和IR细胞因子水平和(或)活性的变化、血脂紊乱/脂质代谢异常均能导致或联合导致IR。而TLR4下游的转录因子(JNK、NFκB)、炎性细胞因子(TNFα、IL-6)，可以在胰岛素信号传导的多个水平导致 IR〔13，14〕。

细胞培养、转基因动物实验和人体实验已证明，骨骼肌、脂肪细胞、肝细胞、单核巨噬细胞的TLR4激活及其介导的炎性因子生成是高脂饮食诱发的外周IR的重要机制。脂多糖(LPS)、SFAs及其中间代谢产物均是TLR2、4的内源性配体。月桂酸(十二烷酸)是LPS结构中所包含的中链脂肪酸成分，能激活巨噬细胞系的 TLR4 信号传导〔15，16〕。SFAs能够激活脂肪细胞〔17〕、骨骼肌纤维〔18〕的TLR4信号传导;缺乏或敲除 TLR4时，SFAs激活脂肪细胞或脂肪组织、巨噬细胞、骨骼肌纤维、肝细胞〔19〕的炎症信号途径被减弱。肥胖患者通常伴有血浆SFAs升高，提示SFAs激活TLR4的信号传导可能是IR的重要机制之一。不同链长度的SFAs激活骨骼肌TLRs的能力有区别，故SFAs长度与骨骼肌IR有关联〔20〕。软脂酸(16碳)和硬脂酸(18碳)能够激活骨骼肌炎性信号并导致IR，而12碳的月桂酸不能激活骨骼肌TLR4，也不能诱导产生IR〔21〕。TLR4缺乏〔22〕或变异〔23〕能够改善饮食性肥胖以及SFAs所导致的IR。

SFAs的中间代谢产物，如神经酰胺和二酰甘油，不仅能在IRS-1和 Akt水平直接干扰细胞内胰岛素信号传导〔24，25〕，产生IR〔26〕;而且，神经酰胺能激活TLR4，促进炎性因子生成，干扰胰岛素信号传导〔27〕。此外，神经酰胺还能放大SFAs激活单核细胞/巨噬细胞TLR4介导的炎症效应〔28〕。

LPS也可能是机体代谢紊乱和早期炎症倾向发生的重要触发因素。肠道内的死亡的革兰氏阴性菌胞壁产生LPS，通过肠道的TLR4机制进入肠道内的毛细血管，随血循环到达其靶器官后，激活TLR4信号传导，触发炎症反应〔29〕。高脂饮食会增加了肠道内的革兰氏阴性菌的数量，4W的高脂饮食能够显著增加小鼠血浆LPS的水平〔30〕。

肥胖时，外周胰岛素敏感组织不仅存在着TLR4信号传导通路的激活，而且还存在着TLR4基因表达和蛋白质的水平上调。肥胖和Ⅱ型DM(T2DM)患者的骨骼肌纤维〔18〕、高脂饮食性肥胖小鼠的脂肪细胞〔31〕，TLR4的基因表达和蛋白质水平均显著性升高，并且与IR的严重程度密切相关。

TLR2也与IR相关。抑制TLR2也能改善高脂饮食下小鼠骨骼肌〔32〕、白色脂肪组织〔32〕、肝细胞〔33〕的胰岛素敏感性和胰岛素信号传导。而且，siRNA抑制骨骼肌纤维TLR2的表达能够改善软脂酸刺激骨骼肌纤维引起的IR现象〔34〕。

3 运动对TLRs的影响及其调节机制

力竭运动对机体的各组织的TLR的表达以及炎性细胞因子生成影响不同。Rosa等〔35〕将10 U龄SD大鼠以20 m/min运动强度相当于70%VO2max跑台运动55 min后，再按1 m/min增加跑速直至力竭。大鼠趾长伸肌、比目鱼肌、腹膜后脂肪组织、肠系膜脂肪组织IL-6、TNFα均显著性升高，并且腹膜后脂肪组织、肠系膜脂肪组织的TLR4、Myd88、TRAF6表达在运动后的不同时间段分别显著性升高，且肠系膜脂肪组织NFκB的DNA结合能力显著性升高〔36〕。提示对于肥胖和IR患者来说，力竭性运动或疲劳性运动可能会进一步提升脂肪因子IL-6、TNFα的表达水平，加重机体的慢性炎症与IR。

长期有氧耐力运动能够增进胰岛素信号传导，改善机体的慢性炎症倾向的作用，而有氧运动下调胰岛素敏感组织的TLR4基因表达和受体后信号传导可能是其重要机制之一。低强度有氧耐力运动能显著性降低肥胖大鼠血浆LPS、骨骼肌、脂肪、肝脏等组织的TLR4的表达、减少NFκB等转录因子和炎性细胞因子的生成，改善慢性炎症状态〔7〕。Oliveira等〔7〕发现高脂饮食导致的肥胖Wistar大鼠在持续8 w、每周5 d的1 h游泳运动后，血浆LPS显著性下降，肝脏、骨骼肌、脂肪组织的TLR4、MyD88蛋白水平较肥胖安静组显著性下降，IKKβ和JNK磷酸化水平显著性下降，肝脏、骨骼肌、脂肪组织的IR显著性改善，骨骼肌的葡萄糖吸收显著性增加，并且胰岛素信号传导改善效应持续至运动后36 h。而对于一次低强度游泳运动(6 h，间隔45 min)，也能显著性地降低肝脏、骨骼肌、脂肪组织的MyD88、IKKβ和JNK磷酸化水平，改善胰岛素信号传导。长期游泳运动能够从转录水平上调节肝脏、骨骼肌、脂肪组织的TLR4水平，TLR4mRNA和其蛋白质表达的下调幅度相似;而一次急性运动仅能下调骨骼肌的TLR4mRNA水平，但TLR4蛋白质水平却没有显著性变化。

关于运动改善TLR4的表达和蛋白质水平的具体机制尚不清楚。急性低强度运动改善TLR4轴和IR的效应可能与减少TLR4内源性配体LPS密切相关，也可能与急性运动后糖皮质激素的分泌增加，导致的免疫抑制效应有关〔37〕。长期低强度运动诱导组织TLR4表达下调除了下调血浆LPS浓度外〔38〕，也可能与巨噬细胞渗入组织过程受到抑制以及巨噬细胞由M1亚型(促炎症表型)向M2亚型(抑炎症表型)转换有关〔39〕;运动对热休克蛋白〔40〕、活性氧自由基、过氧化脂质的影响也可能会涉及细胞TLR4基因的表达和信号的传导〔41〕。

药物(TAK-242)抑制高脂饮食性肥胖大鼠TLR4，在抗炎和改善胰岛素信号传导方面，会产生与运动相似的效果，骨骼肌、脂肪细胞的TLR4/MyD88轴以及IKKβ、JNK磷酸化水平显著性下降;而TAK-242与低强度游泳联合干预肥胖大鼠并不能增加对TLR4干预的效果;C3H/HeJ小鼠的TLR4基因变异，能够抵制高脂饮食产生的胰岛素敏感组织抵抗效应。运动对该小鼠的IKKβ和JNK磷酸化水平没有影响〔7〕。所以，合适的运动是针对IR组织TLR4靶点治疗的有效手段，由于运动的副作用小，可能优于该靶点的药物治疗。

最近研究发现生理性饥饿状态下，可能由于血SFAs的浓度升高导致TLR4激活，TLR4下游物质会抑制骨骼肌中葡萄糖向脂肪的转化来有效地维持生理性饥饿下机体的血糖、血脂的稳态。涉及的机制可能是TLR4激活后抑制骨骼肌纤维线粒体的丙酮酸脱氢酶复合体的活性来控制丙酮酸脱氢脱羧和乙酰辅酶A的生成，减少葡萄糖不可逆性氧化，维持血糖浓度;以及抑制骨骼肌的脂肪合成酶活性来减少骨骼肌及血浆中的脂质水平。而TLR4基因敲除的转基因小鼠在饥饿时会产生严重的低血糖、血浆和骨骼肌脂质水平升高〔42〕。那么，相对于合适的运动下调TLR4表达和蛋白水平来说，药物性TLR4抑制很可能会有严重的副作用，如低血糖和高血脂。所以针对于不同运动对多种组织的TLR4的影响及其机制值得深入研究。

中等和较高负荷运动能够改善机体的IR，也可能与其下调细胞TLR4mRNA水平，改善肥胖等患者的胰岛素信号传导有关。肥胖衰弱的老年人进行12 w较高强度的有氧运动(负荷为80% ～90%最高心率)联合80%1RM(repetition maximum，竭力的重复次数)的力量练习，3次/w，每次有氧运动持续20～30 min，每组力量练习重复6～8次、2组/d。结果发现，受试者骨骼肌内TLR4、TNRα、IL-6的基因表达显著性下降，并且与体重下降无关〔43〕。动物实验表明〔44〕，大强度力量训练能够降低正常野生大鼠骨骼肌TLR4、降低TNRα/IL-10。

中等以上强度的运动能够促进正常生理情况下的骨骼肌分泌IL-6增加。而人成肌细胞培养试验表明〔45〕，40 ng/ml的IL-6与成肌细胞共培养24和72 h后，通过STAT3途径，能够促进成肌细胞表达TLR4，降低Akt(Ser473)磷酸化，抑制胰岛素信号传导。近来对IL-6的生理作用争议较多，主要由于IL-6的生理效应依赖于其浓度和刺激持续时间的长短，并且不同组织细胞对其反应也不同。中等负荷以上的有氧运动对不同组织的TLR4是否会有不同的影响，以及是否能降低组织TLR4表达升高和炎性信号的传导，目前尚不清楚。

4 小结

有氧运动能减少高脂饮食促进的外周胰岛素敏感组织和细胞TLR4的表达和蛋白质水平，进而改善胰岛素敏感性。研究显示，大量的普通性食物中也含有较高水平的TLR2和4的兴奋剂，主要是细菌脂肽和LPS成分〔46〕，而且也存在于新鲜的经过简单加工的蔬菜，如豆芽、芹菜等〔47〕，并且人类的TLR4对脂肽和LPS刺激的域值较啮齿类动物要低几百倍〔48〕，所以深入研究机体TLR4激活和对组织胰岛素敏感性的影响及不同运动对胰岛素敏感组织TLR4的表达及其下游信号传导的影响具有重要意义。

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