运动与骨骼肌脂肪酸转运膜蛋白研究进展

2013-08-15 00:51:12张喆张蕴琨
中国运动医学杂志 2013年1期
关键词:长链细胞膜骨骼肌

张喆 张蕴琨

南京体育学院(江苏南京 210014)

脂肪酸是肌肉在运动时主要的能量来源之一。运动与脂代谢之间的关系一直是研究热点。随着运动不足相关疾病发病率的增加,如何提高脂肪酸的运输率和代谢率日益成为焦点。肌肉中约90%的脂肪酸是长链脂肪酸 ( long-chain fatty acids,LCFAs)[1],如何提高其转运速率十分重要。脂肪酸转运膜蛋白在这一过程中发挥了重要作用。本文综述骨骼肌脂肪酸转运膜蛋白的结构、生理功能、作用机制以及运动与其关系,为脂代谢异常相关疾病的研究提供参考。

1 脂肪酸结合蛋白(FABP)

1.1 FABP的生理功能和分类

游离脂肪酸(free fatty acid,FFA)穿越肌纤维膜的过程是一个可饱和的过程,存在调节性脂肪酸结合蛋白(FABP),其中包括FAT/CD36、细胞溶质脂肪酸 结 合 蛋 白 (cytosolic fatty acid binding protein,FABPc)和FABPpm。肌肉中摄取长链脂肪酸的跨膜通道依赖FAT/CD36的异化扩散和细胞膜上FABPpm的单向扩散[2]。有研究报道,FAT/CD36对长链脂肪酸(long chain fatty acid,LCFA)更敏感,FAT/CD36不能结合辛烷酯,但能结合油酸、棕榈酸、硬脂酸花生四烯酸和亚油酸[3]。FABPpm则主要在运输长链饱和及不饱和脂肪酸中具有重要意义[3]。目前,关于FAT/CD36的研究较全面,而关于FABPc的研究甚少。

1.2 FAT/CD36概述

早在1998年,Abumrad 等[4]在实验中就发现,使用磺基-N-琥珀酰亚胺酯油酸(sulfo-N-succinimidyl oleate,SSO)能阻断大鼠脂肪细胞对脂肪酸的吸收,深入研究后发现SSO能与细胞膜上某一蛋白特异性结合,由此推断该蛋白很可能参与脂肪酸的跨膜转运,并命名为脂肪酸转位酶(fatty acid translocase,FAT)[5]。随后发现该蛋白与人类白细胞分化抗原CD36相同,因此又称FAT/CD36。在后续的研究中也已证实[6],反应的SSO与细胞表面蛋白结合可鉴定长链脂肪酸(LCFA)的载体——FAT/CD36,它能特定地与FAT/CD36共价结合,从而阻止脂肪细胞、心肌细胞和骨骼肌细胞对LCFA的摄取。已确定 FAT/CD36广泛分布在心肌、小肠、脾脏、睾丸、骨骼肌和脂肪等组织[7]。

FAT/CD36又称为SCAR B3、GP8、糖蛋白Ⅳ和糖蛋白Ib,由472个氨基酸组成,其分子量约为53kDa[8],糖基化后分子量约为88kDa[9]。FAT/CD36是一种细胞膜上的单链跨膜转运蛋白,形似发卡,由胞内区、跨膜区和胞外区三部分组成。其羧基末端(C端)和氨基末端(N端)各有一个连续的疏水氨基酸区,通过两个疏水末端固定在胞膜上,而绝大部分的长链延伸在胞外[10]。近年来有研究表明,除细胞膜外,FAT/CD36还可能存在于细胞内的囊泡膜和线粒体膜上[11,12]。此外,还将FAT/CD36归类于B类清道夫受体家族蛋白成员之一[13]。

1.3 FAT/CD36与脂肪酸转运

FAT/CD36的正确定位与其转运功能密切相关[3]。Ring等[14]研究发现,胞浆内的FAT/CD36并不能有效转运长链脂肪酸。而Bonen等[15]认为,正常细胞内FAT/CD36存在循环机制,长链脂肪酸能诱导FAT/CD36从胞浆内转移至细胞膜上,当细胞内长链脂肪酸的浓度达到饱和时,FAT/CD36又重新回到胞浆,也就是说细胞内存在一定量的FAT/CD36,分布于细胞膜表面、胞浆内以及线粒体膜表面[3]。上述观点说明尚不能确定胞浆内的FAT/CD36是否能有效转运长链脂肪酸(LCFA)。

已有报道指出CD36的缺乏与胰岛素抵抗和血脂障碍有联系[16]。Bonen等[15]还发现当机体产生胰岛素抵抗后,FAT/CD36就无法正常转移回胞浆内,大量的FAT/CD36存在于细胞膜上使长链脂肪酸的转运加快。可见,FAT/CD36与糖尿病胰岛素抵抗之间的关系以及FAT/CD36转运LCFA的具体机制都有待于进一步研究。不仅如此,关于FAT/CD36的研究已延伸至肝脏疾病领域。Buqué等[17]研究认为,在高胰岛素血症的动物模型和脂肪肝患者中,肝脏FAT/CD36的蛋白含量和基因表达会增加。 Buqué等[17]在研究中还发现,高胰岛素水平可引起肥胖大鼠肝细胞的FAT/CD36易位至细胞膜,增加脂肪酸(fatty acid,FA)的摄入和甘油三酯的合成,这与Bonen等的观点一致。研究还显示,在高胰岛素血症的动物模型、胰岛素抵抗和脂肪肝患者中,通过诱导肝细胞膜FAT/CD36发挥作用,引起肝脏脂肪堆积[17]。

1.4 FAT/CD36与运动

有学者使用Western-Blot检测受试人群的FAT/CD36的蛋白含量,发现当游离脂肪酸(FFA)氧化率低时,FAT/CD36蛋白含量与其相关性不明显,但在运动进行到30 min、120 min以及240 min时,FAT/CD36与游离脂肪酸(FFA)氧化率显著相关,其中在运动120min~240min时相关性最大[18]。 Roepstorff等[19]的研究指出较低的AMPK活性会降低细胞表面FAT/CD36的含量。Jain等[20]则发现长期的肌肉收缩可引起FAT/CD36膜蛋白转位的增加,随着时间的延长,此现象呈现累积效应。而AMPK是运动影响脂代谢的相关通路,运动可激活AMPK通路,引起乙酰辅酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)磷酸化,从而使其活性下降,同时丙二酰辅酶A脱羧酶(malonyl coenzyme Adecarboxylase,MCD)活性增强,进而丙二酰辅酶A合成速率减缓,并使肉碱棕榈酰基转移酶1(carnitine acyl transferaseⅠ,CPT-1) 的抑制作用减轻,CPT-1酶的活性增强,引起脂肪酸的氧化增加[21]。可见,FAT/CD36在长时间有氧运动中有重要意义。此外,Lally等[22]在最新的研究中发现,咖啡因诱导的棕榈酸酯氧化在FAT/CD36缺乏的小鼠中下降70%,这很可能是由于质膜FAT/CD36含量的改变,而不是因为本来的线粒体脂肪酸氧化的改变。Lally等[22]还指出咖啡因可刺激FAT/CD36转位的增加、ACC的磷酸化和脂肪酸氧化的发生,这与AMPK的激活作用一致。这项发现又为关于FAT/CD36转位的研究提供了新的思路。

对于FAT/CD36与CPT-1之间的关系,有研究[6,18]指出,阻断FAT/CD36对CPT-1的活性没有影响,但确实抑制了软脂酸的氧化,故指出FAT/CD36位于CPT-1的下游,使得长链脂酰肉碱从CPT-1转移到CPT-2更加容易。Hidekatsu等[16]的研究显示,在CD36缺乏的受试者中,FA利用减少,有氧运动能力衰减。Hidekatsu等指出CD36介导的脂肪酸(FA)氧化是人类有氧运动能力的重要决定因素,同时指出,尽管CPT-1在人和大鼠中的调节不一样,但在人类和大鼠的骨骼肌中,FAT/CD36可能与CPT-1共同调节LCFA的氧化。但这两者共同作用的机制仍未明了。今后对CD36的不同表型与运动能力之间的关系进行研究较有价值。

目前,已证实FAT/CD36存在胞浆内和细胞膜之间的循环,其中的机制尚不清晰。Celine等[23]在较新的研究中也发现,与对照组受试者相比,肥胖的2型糖尿病患者组骨骼肌中FAT/CD36不断在细胞内和细胞膜之间循环,不依赖相关的脂筏,导致定位在细胞表面的FAT/CD36增加以及脂质堆积,并指出异常的脂肪酸运输和膜FAT/CD36的再定位可导致2型糖尿病患者骨骼肌组织肌细胞内脂质的过度堆积,而目前了解的能引起FAT/CD36从细胞内向细胞膜转位的诱因是胰岛素、AMPK信号通路和肌肉收缩。这与上述观点一致。此外,还有研究指出细胞外信号调节 激 酶 2 (extracellular signal-regulated kinase2,ERK2)也参与了肌肉收缩引起的FAT/CD36转位,抑制ERK可以抑制由肌肉收缩引起的FAT/CD36的转位[24]。还有研究表明,过氧化物酶增殖物激活受体γ共 化 合 物1α (peroxisome proliferator activated receptorγ coactivatorα,PGC-1α) 表达增加可引起FAT/CD36的蛋白表达增加[25]。 而PGC-1α被认为是介导运动影响线粒体基因表达的核转录因子,也是AMPK的作用靶点,因此,袁海瑞等[26]推测,可能存在AMPK—PGC-1α途径,运动诱导的FAT/CD36的表达增加可能通过此途径实现。探讨AMPK、ERK以及PGC-1α对FAT/CD36的转位以及表达的影响是重要的研究方向之一。

1.5 FABPpm、FABPc

FABPpm是一种膜蛋白,分子量约为40 kD,命名为膜脂肪酸结合蛋白(FABPpm)。经Western-Blot检测的结果显示,FABPpm存在于动物的肝脏细胞膜、脂肪细胞、心肌细胞、骨骼肌细胞、小肠和血管内皮细胞等部位[27]。

Glatz等[28]认为,脂肪酸跨膜转运过程为:脂肪酸与白蛋白(albumin,Alb)形成复合体;当复合体结合细胞膜上的白蛋白形成结合蛋白 (albumin binding protein,Alb BP)后,脂肪酸游离释放,被FABPpm转运至细胞内;再结合细胞质中的FABP进行代谢[28]。

现对于FABPpm和FABPc转运脂肪酸的具体机制仍不是很清楚。到目前为止,大多数的研究都集中在FAT/CD36,对FABPpm和FABPc的研究相对较少,更多的是将这两者与FAT/CD36相结合进行研究。

研究显示,高脂饮食会引起人体骨骼肌中FABPpm、FABPc以及FAT/CD36的蛋白表达均增加,高糖饮食则相反。采用短期(连续5天)的高脂饮食后发现,人类骨骼肌的FAT/CD36的蛋白含量增加,而采用长期 (4周)的高脂饮食则发现FAT/CD36与FABPc平行增加[19]。 因此,可对FABP中的FABPpm和FABPc的结构和作用机制进行更全面的研究。

1.6 FAT/CD36、FABPpm、FABPc与运动

Chabowski等[29]指出,在骨骼肌和心肌中,FAT/CD36和FABPpm是转运脂肪酸的关键载体,这两个载体均可通过特定的刺激物(胰岛素、AMPK的激活)在短期(几分钟内)和长期(几小时或几天)被调节,而AMPK系统是运动影响脂代谢的相关信号通路,运动可激活AMPK通路,由此可推测运动与这两者关系密切。该研究还发现,短期调节包括FAT/CD36通过胰岛素、肌肉收缩和AMPK的激活引起的转位,FABPpm则通过肌肉收缩和AMPK的激活诱导转位,不通过胰岛素。可见,FAT/CD36与胰岛素抵抗的发生更相关,而运动引起的肌肉收缩和AMPK的激活都可诱导FAT/CD36和FABPpm的转位。该研究还指出,FAT/CD36和FABPpm可能通过协同来增加脂肪酸的运输效率。

Jason等[30]对10名未经训练的女性进行为期6周的高强度间歇训练后,发现训练可显著增加骨骼肌(10%)和线粒体(51%)的FAT/CD36的含量,但不改变质膜内的浓度。6周训练后,骨骼肌细胞内FABPpm的含量也增加了48%,但与FAT/CD36相反,质膜的FABPpm含量也增加了23%,然而线粒体的FABPpm没有改变,这说明训练后骨骼肌脂肪酸氧化增加的原因一定程度是由于运输脂肪酸的蛋白的量和定位的改变,同时作者也推测两者可能共同调节脂肪酸质膜的转运,而机制还不清楚。这与Chabowski等[29]的观点一致。 Hidekatsu等[16]指出FAT/CD36可能与CPT-1共同调节LCFA的氧化,可见,未来可将FAT/CD36、FABPpm和CPT-1结合起来研究,观察三者对LCFA的运输和氧化的调节作用及其相互关系。

关于FABPc,Jang等[31]的研究指出,运动结合补充左旋肉碱(L-肉碱)不能增加人体中FABPc的表达和β-羟酰辅酶A脱氢酶 (β-hydroxyacyl coenzyme A dehydrogenase,β-HAD)的活性。运动训练组人群与安慰剂补充组人群相比,FABPc的表达量增加了54%,但未达到显著差异。因此,FABPc与运动的关系可能相对不密切,在脂代谢方面的价值也低于FAT/CD36和FABPpm。

2 脂肪酸转运蛋白(FATP)

2.1 FATP的生理功能和分类

脂肪酸转运蛋白家族FATPs,又称溶质携带家族27 (solute carrier family 27,Slc27), 此蛋白家族(FATP126)有6个成员(FATP-1~6),其中FATP-1主要在脂肪组织和骨骼肌等对胰岛素敏感的组织中特异性表达[32],说明FATP-1与骨骼肌脂代谢关系密切。有研究发现,FATP-4与甘油三酯的沉积有关,但FATP-4主要在小肠上皮细胞刷状缘面表达,可以推测,FATP-4可能与脂类物质的吸收有关,但近几年发现其也存在于骨骼肌中[33]。有研究表明,FATP-4能影响脂分解的过程[20,33]。

2.2 FATP-1概述

人体中FATP-1由646个氨基酸残基组成,具有多个跨膜结构域,在其面向细胞外的N端和细胞内的C端至少分别有1个跨膜结构域[34]。同源性分析表明,人、马和鼠等哺乳动物的FATP-1均由311个氨基酸残基构成保守序列,包括在肽段内,第247~257位氨基酸残基构成高度保守的ATP结合位点[35]。有研究表明,FATP-1可以通过形成同源二聚体的形式参与脂肪酸转运[34],目前具体的机制仍有待验证。

FATP-1主要介导主链长度大于10个碳原子脂肪酸的跨膜转运,而对短链脂肪酸的跨膜转运作用不大,这点与L-肉碱和FAT/CD36相似。FATP-1只介导长链脂肪酸从细胞膜外到内的单向转运。此外,FATP-1主要介导由胰岛素诱导的LCFA转运。因此FATP-1是一种对胰岛素敏感的脂肪酸转运载体,相应地,胰岛素能通过转录调控作用降低脂肪前体细胞和成熟脂肪细胞中FATP-1的表达水平[3]。可见,可进一步探讨FATP-1与糖尿病胰岛素抵抗之间的关系,若两者关系密切,在胰岛素抵抗的发生中,FATP-1可能与FAT/CD36存在一定的相互作用。

2.3 FAT/CD36、FATP与运动的关系

关于FATPs,有研究指出其与FABP之间可能存在相互协作转运脂肪酸的关系[3]。 Stahl 等[36]提出,FAT/CD36可能把长链脂肪酸传递给FATP转运至细胞内, 参与甘油三酯的合成或其他代谢[36]。Spitsberg 等[37]则认为,FABPpm 可结合胞外游离脂肪酸,再通过FAT/CD36转运至细胞内结合细胞质FABP。 另有研究[38]发现,FAT/CD36 的单一表达不能提高细胞对油酸的吸收。由此可推测,这些骨骼肌脂肪酸转运蛋白存在协同作用,但具体机制仍不清楚。

现已明确FATP-1与骨骼肌脂代谢关系最为密切,近年又对FATPs家族的其他蛋白也进行了研究[20,33]。James等[33]的研究发现在大鼠的骨骼肌中,膜脂肪酸转运载体FAT/CD36、FATP-4与FABPpm、FATP-1相比,有更高的运输效率,且在脂肪酸酯化和氧化方面也有不同的效果。在骨骼肌中,FABPpm、FAT/CD36和FATP-4的蛋白表达量与氧化代谢能力(r≥0.94)、脂肪酸氧化(r≥0.88)以及三酰甘油的酯化(r≥0.87)高度相关,但不包括FATP-1。尽管如此,还是发现所有转运载体均可增加LCFA的氧化效率,只是不同的脂肪酸转运载体对脂肪酸的运输和代谢的能力不同,而氧化代谢能力、LCFA的氧化与有氧运动、减脂等密切相关。未来可对运动与FATPs的关系进行更多的研究。此外,该研究还发现,在活体内,FAT/CD36和FATP-4是效率最高的脂肪酸运载体,然而,FABPpm和FAT/CD36是刺激脂肪酸氧化的关键物质。这可能是关于FAT/CD36的研究较为全面的原因。

此外,研究还指出,当FATP 1~6过表达到相似的量时,在脂肪酸运输效率方面,FATP-4与FATP-1、FATP-2相比,分别高了1.7倍和3倍,但FATP-3、FATP-5、FATP-6与脂肪酸转运能力关系不大[33]。 因此,除FATP-1和FATP-4已确认与骨骼肌脂代谢关系密切外,其余FATPs家族的蛋白与脂肪酸转运的关系都有待进一步研究,并且,不同运输载体的运输效率也有待进一步证实。另外,值得注意的是,有研究指出由肌肉收缩诱导的脂肪酸转运和氧化上调的机制在心肌和骨骼肌中存在,但在离体培养的骨骼肌细胞中很可能不存在[33]。

关于FATP-1和FATP-4,最新的研究指出,受试者经过8周的训练后,骨骼肌中FATP-4的含量上升了33%,而FATP-1的含量下降了20%。值得注意的是,在运动干预的后期,骨骼肌中FATP-4蛋白表达的增加与耐力训练中脂质的氧化显著相关 (r2=0.74)[39]。 结合James等[33]的观点,不难推测,FATP-4与脂肪酸的氧化也密切相关,但与FAT/CD36和FABPpm相比,后者可能相关度更高。 同时,Jeppesen等[39]认为,FATP-1和FATP-4在骨骼肌中运输LCFA的作用不同,FATP-4作为与脂质运输有关的蛋白,比FATP-1更重要。

Holloway等[40]在关于FATP-1的研究中发现,骨骼肌FATP-1的过表达可增加LCFA的运输效率和氧化渠道,但不会引起骨骼肌内脂质的堆积。因此,Holloway等[40]认为骨骼肌FATP-1过多不会引起因饮食诱导的胰岛素抵抗。若此观点得到证实,FATP-1在调节脂代谢异常相关疾病中可能发挥积极作用。

值得一提的是,FATPs不仅在成人体内参与脂肪酸转运和氧化,在从母体到胎儿之间的脂肪酸运输中也发挥作用。新近研究指出,在滋养层发现存在FATP-2、FATP-4、FATP-6,且FATP-2、FATP-4与母体和胎儿之间的脂肪酸运输尤其相关[41]。

目前,对FATP2-6的研究有限,今后可深入研究FATP2-6在骨骼肌细胞脂代谢中的意义及其与运动的关系,且可关注FATP与FABP的协同作用机制。

3 小结与展望

FAT/CD36与脂代谢关系密切,是骨骼肌脂肪酸转运膜蛋白调节脂代谢的关键蛋白,可通过胰岛素、AMPK信号通路和骨骼肌收缩来调节其转位,但FABPpm则通过肌肉收缩和AMPK的激活诱导转位,不能通过胰岛素激活转位,而AMPK通路和骨骼肌收缩均与运动关系密切相关。现已确认FAT/CD36与胰岛素抵抗的发生关系密切,糖尿病患者骨骼肌肌细胞内脂质的过度堆积与FAT/CD36的定位变化也有关,但FAT/CD36转运脂肪酸以及转位的具体机制都还不是很清楚。已经有众多研究指出FAT/CD36可能与CPT-1共同调节LCFA的氧化,也可能与FABPpm共同协调调节脂肪酸质膜的转运,但其中协同的方式和具体机制仍不明。未来可将三者结合起来研究。关于FABPc的研究甚少,可进一步研究其与FAT/CD36和FABPpm的关系。

FATP与FABP在脂肪酸转运方面存在协作关系,但具体机制存在争议。FATPs家族蛋白中已确认的是FATP-1与骨骼肌脂代谢相关。近几年有研究发现FATP-4有很高的脂肪酸转运效率,但有待进一步验证。值得一提的是,关于FABP与FATP的分类存在分歧,早期的文献将脂肪酸转位酶(FAT/CD36)归类于复杂的FABP或脂肪酸转运蛋白(FATP),但绝大部分研究则认为FABP与FATP是不同的两类蛋白,近年的研究以及本文均将FABP和FATP视为两类蛋白家族。

综上所述,进一步研究 FABP与FATP转运脂肪酸和调整脂肪酸氧化的机制,以及FABP与FATP相互协作的机制有较大价值,而运动与脂代谢密切相关,运动可以改善脂代谢异常,因此研究运动与FABP和FATP的关系,不仅有助于更深入了解骨骼肌脂肪酸转运膜蛋白作用的机制,还可为研究运动对糖尿病、冠心病、高脂血症、代谢综合征等脂代谢异常疾病的影响提供更多理论基础。

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