脂联素在骨代谢中的研究进展

冯 瑶，贾婷婷，王亚楠，张东姣，徐 欣

脂肪组织不仅有储存剩余能量的作用，还可以行使分泌功能。脂联素(adiponectin, APN/ADPN)就是其分泌的一种脂肪细胞因子，可增加骨骼肌对葡萄糖和脂肪酸的利用，在葡萄糖代谢、脂质代谢和胰岛素抵抗减弱中起关键作用，脂联素还具有抗动脉粥样硬化的特性[1]。越来越多的证据表明，脂肪组织与骨代谢的调节密切相关[2]，其分泌的脂联素可能通过与脂联素受体1(adipoR1)和脂联素受体2(adipoR2)的结合在骨代谢中发挥直接作用。成骨细胞和破骨细胞中adipoR1和adipoR2的表达，表明脂联素在骨骼中具有重要的功能作用[3]。

1 脂联素的生物学特性

脂联素又称为Acrp30(30 kDa的脂肪细胞补体相关蛋白)，是一种与C1q具有结构相似性的脂肪细胞分泌的蛋白，其胶原结构域与C1q补体蛋白具有序列同源性[4]。人类脂联素基因位于3q27号染色体上，脂联素的一级序列具有一个N端信号肽(约28～32个氨基酸)，其后是一个高变区(12个氨基酸)，其中包含寡聚化所需的保守氨基酸，一个带有22个甘氨酸-X-Y重复序列(66个氨基酸)的胶原蛋白区域和一个C-末端球状结构域[3]。

脂联素通过其胶原结构域存在于血浆中多种多聚体复合物和组合物中，从而形成三种主要的寡聚形式：低分子量(LMW)三聚体，中分子量(MMW)六聚体和高分子量(HMW)多聚体，其中HMW多聚体是所有脂连蛋白多聚体中激活腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5-monophosphate (AMP)-activated protein kinase, AMPK)最有效的脂联素多聚体形式[5]。脂联素可以降低血浆中葡萄糖水平，利于脂肪酸的分解，并且脂联素可以促进骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)的成骨分化[2]。

2 脂联素的受体

2.1 adipoR1和adipoR2

脂联素主要通过adipoR1和adipoR2起作用，它们对脂联素具有独特的亲和力，adipoR1在所有组织中普遍存在，但在骨骼肌中表达最高，而adipoR2主要在肝脏中表达[6-7]。研究表明adipoR1可在内皮细胞，心肌细胞和胰腺β细胞中表达，而adipoR2可在内皮细胞中表达，并且两种受体都在下丘脑中表达[6]。adipoR1和adipoR2在正常葡萄糖代谢和胰岛素敏感性的调节中均起着重要的作用，脂联素与受体结合后，不同的下游信号传导被激活，从而引发各种生理效应。adipoR1主要参与AMPK的活化，而adipoR2主要参与过氧化物酶增殖体激活受体(peroxisome proliferators-activated receptor，PPAR)α的活化，从而增加了机体对胰岛素的敏感性[8]。adipoR1和adipoR2在体内的过度表达会使肝神经酰胺的水平降低，从而提高了胰岛素敏感性[7]。

2.2 T-钙黏着蛋白

2004年，首次发现T-钙黏着蛋白与C2C12小鼠成肌细胞中的脂连蛋白结合，T-钙黏着蛋白是一种非典型的糖基磷脂酰肌醇固定在细胞表面的糖蛋白，在结构上不同于adipoR1和adipoR2[9-10]。T-钙黏着蛋白没有跨膜或细胞内结构域，但是它在促进内皮细胞和平滑肌细胞(这是T-钙黏着蛋白表达的主要部位)的脂联素信号传导中起重要作用。T-钙黏着蛋白与脂联素高分子量多聚体以及脂联素的六聚体形式结合，但不与脂联素的三聚体，球状或细菌产生的多聚体结合，这表明脂联素与T-钙黏着蛋白结合需要真核生物的翻译后修饰才能发挥其生物学功能[10]。在缺乏T-钙黏着蛋白的小鼠中，体内高分子量多聚体形式的脂联素循环水平升高了。T-钙黏着蛋白是在心脏和血管中大量表达的脂联素受体之一，心肌细胞上的T-钙黏着蛋白可通过与脂联素结合激活其心脏的保护功能[11]。

3 脂联素的信号传导

3.1 与脂联素受体相互作用的蛋白

磷酸酪氨酸衔接蛋白(APPL)：APPL1是与脂联素受体结合的衔接蛋白，在adipoR1和adipoR2的下游起作用，可促进大多数细胞内的信号传导[12]。C2C12小鼠肌管中APPL1的过表达增加了脂联素诱导的AMPK、p38和乙酰辅酶A羧化酶(Acetyl-CoA carboxylase, ACC)的磷酸化，最终促进了脂联素的代谢功能。APPL2是APPL1的同工型，APPL2的转基因表达可防止C2C12小鼠肌管中APPL1-adipoR1结合和其下游信号的传导，抑制APPL2的表达可提高脂联素诱导的脂肪酸氧化和葡萄糖摄取[7]。

3.2 脂联素信号传导的中间信号分子

肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)：在细胞质中被配体结合的adipoR1激活后，与APPL1相互作用并激活蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A, PP2A)。激活的PP2A通过去磷酸化使另一个与APPL1结合的蛋白激酶C-ζ(protein kinase C-ζ，PKC-ζ)失活。PKC-ζ是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，它可使丝氨酸307处的LKB1磷酸化并促进其核转运。PKC-ζ的失活导致LKB1在细胞质中积累，并增加了它与APPL1的相互作用[13]。因此，LKB1间接的促进了脂联素的代谢功能。

钙离子-钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(calcium/calmodulin dependent protein kinaseⅡ，CAMKK)：这是AMPK的另一种上游激酶，可被脂联素激活。CAMKK与LKB1具有相当的序列和结构同源性[14]，CAMKK有两种同工型； CAMKKα和CAMKKβ。CAMKK可以通过Ca2+介导AMPK的磷酸化。

AMPK：AMPK是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，被称为细胞的代谢传感器。除上游激酶(LKB1和CAMKKβ)外，AMPK还被腺嘌呤核糖核苷酸 (adenosine monophosphate, AMP)的变构结合所激活，当能量消耗不足的情况下AMPK在细胞中会增加[15]。脂联素以AMPK依赖性的方式在心肌细胞、骨骼肌细胞等不同细胞类型中诱导自噬，自噬对不同细胞类型中的细胞分化起重要作用[16]。AMPK的磷酸化可以激活过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator-1α，PGC1α)[17]，活化的CAMKKβ也可以独立于AMPK活化PGC1α[18]。活化的PGC1α会促进线粒体生物发生和线粒体的呼吸作用，随后会增加肌肉中的脂肪酸氧化。而在脑和肝等其他组织中，线粒体作用的增强并不依赖于PGC1α的表达水平[19]。

p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase, p38MAPK)：APPL1是脂联素介导的p38MAPK途径激活的基础，脂联素激活的APPL1进一步激活转化生长因子激酶1(transforming growth factor kinase 1,TAK1)，随后形成由adipoR1、APPL1、TAK1、丝裂原活化蛋白激酶Ⅱ3(mitogen-activated protein kinaseⅡ 3, MKK3)和p38 MAPK组成的复合物。随后，活化的TAK1使MKK3磷酸化，进而使p38MAPK磷酸化[20]。有研究表明脂联素抑制p38MAPK磷酸化，但可以增加AMPKα磷酸化并对高糖通过AMPK/p38MAPK途径诱导的细胞凋亡起着至关重要的保护作用[21]。

PPARα：PPARα在adipoR2的下游起作用，PPARα信号传导增加了肝对胰岛素的敏感性，因此促进了肝细胞对葡萄糖的吸收[8]。诱导脂肪组织中脂联素表达的PPARγ被脂联素激活，并引发了一种反馈机制，该机制不仅诱导脂联素的表达，而且还促进脂肪细胞的分化和脂质的蓄积[7]。

3.3 脂联素的其他信号传导

除上述经过充分研究的信号传导途径外，脂联素还可激活其他下游信号传导通路。脂联素还通过磷酸肌醇-3-激酶(phosphoinositide-3-kinase, PI3K)诱导蛋白激酶B(protein kinase B, Akt)磷酸化，其介导的PI3K活性可促进内皮祖细胞迁移，增加胰腺β细胞的存活率[3]。

4 脂联素与骨代谢的关系

4.1 脂联素对BMSCs的影响

人脂联素可通过APPL1-p38MAPK信号传导途径上调成骨相关基因的表达，从而促进人原代颌骨骨髓间充质干细胞(human primary jaw bone marrow mesenchymal stem cells, h-JBMMSCs)的成骨分化[22]，并且脂联素是通过上调趋化因子(C-X-C 基元)配体(chemokine (C-X-C motif) ligand, CXCL)1和CXCL8来促进h-JBMMSCs趋化性的[23]。脂联素还通过adipoR1介导的p38MAPK磷酸化促进间充质干细胞的成骨作用。p38MAPK使c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)磷酸化，进而增加环氧合酶-2(cyclooxygenase-2, COX2)的表达，最终导致骨形成蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP2)的表达增加[24]。球状脂联素通过激活APPL1-LKB1介导的AMPK磷酸化而促进人脂肪组织干细胞的成骨分化[25]。球状脂联素处理可降低CXCL12在骨髓中的表达，而引起BMSCs从骨髓向外周循环迁移，并将BMSCs募集至成骨部位，促进骨伤口内的细胞迁移和新骨的形成[26]。

4.2 脂联素对成骨细胞、破骨细胞及软骨细胞的影响

在人成骨细胞中，脂联素分别通过adipoR1/JNK和adipoR1/p38MAPK途径诱导成骨细胞的增殖和分化，全长脂联素可以增加adipoR1下游的BMP2信号传导。球状脂联素可通过adipoR1介导的AMPK磷酸化上调与成骨细胞分化和骨形成有关的转录因子Osterix，进而使成骨细胞增殖、分化，导致骨的矿化增加[3]。成骨细胞中adipoR1的下游信号传导涉及氧化磷酸化的刺激，可能通过抑制Wnt信号通路的骨硬化蛋白而导致成骨细胞分化增加，脂联素激活Wnt途径后，adipoR1信号通过β-catenin核易位诱导了成骨效应[2]。球状脂联素会增加线粒体的功能和呼吸作用，从而导致成骨细胞分化，此作用由adipoR1-AMPK-PGC1α信号通路介导[3]。骨髓来源的单核细胞中脂联素在蛋白和mRNA水平均有表达，脂联素对骨髓来源的破骨细胞的分化和增殖有明显的抑制作用[27]，有研究发现核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)和p38信号通路是破骨细胞形成所必需的，脂联素通过抑制NF-κB和p38信号通路来抑制体外破骨细胞的发生和吸收功能。此外，脂联素还阻断了F-肌动蛋白环的形成，减弱了破骨细胞介导的骨吸收功能[28]。在破骨细胞中，球状脂联素还可通过APPL1抑制Akt磷酸化，从而导致核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of NFκB ligand, RANKL)诱导的活化T细胞核转录因子(nuclear factor of activated T cells, NFAT)2、肿瘤坏死因子受体相关因子(tumor necrosis factor receptor-associated factors, TRAF)6、组织蛋白酶K(cathepsin K, CatK)和肿瘤坏死因子受体相关蛋白(tumor necrosis factor receptor-associated protein, TRAP)表达下调，并抑制破骨细胞的生成[29]。Yang等发现，与野生型小鼠相比，脂联素缺陷小鼠骨髓细胞外液中RANKL/OPG比值升高，重组脂联素治疗促进了RANKL诱导的破骨细胞向骨髓间充质干细胞分化，上调了重组脂联素治疗的颅骨细胞中OPG的产生，从而抑制了破骨细胞的分化，脂联素通过调节骨髓微环境中RANKL/OPG比值，抑制破骨细胞和成骨细胞前体细胞之间的相互作用，从而影响骨代谢[30]。在多发性骨髓瘤患者中，脂联素可通过与adipoR1的结合来降低雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)和真核细胞始动因子4E结合蛋白l(4E-binding protein 1,4EBP1)的磷酸化水平而抑制破骨细胞的分化和成熟[31]。在糖尿病患者中，钛植入物的骨结合由于活性氧(reactive oxygen species, ROS)的过量产生而受损，脂联素可通过激活AMPK减轻线粒体的损伤，从而逆转成骨细胞的损伤[32]。

脂联素并非全是积极作用，其对骨骼的代谢也有负面影响[33]，脂联素与骨矿物质密度呈负相关，表明它可能是骨代谢的负调节剂[34],一些研究表明脂联素可抑制成骨细胞的分化[33]。脂联素改变成骨细胞的基因表达和细胞因子的释放，增加破骨细胞分泌IL-8。脂联素可抑制成骨细胞中的Osterix，并诱导成骨细胞中护骨素mRNA的表达。相应地，成骨细胞的矿化能力降低，而破骨细胞的吸收活性增加。证实了脂联素的促炎作用，影响类风湿关节炎骨重建[35]。在骨质减少症患者中，过高的脂联素水平可能通过增加成骨细胞中的核因子κB受体活化因子配体(RANKL)/骨保护素(osteoprotegerin, OPG)比例和通过与adipoR1结合而在软骨细胞中释放白细胞介素-6导致骨量的减少[36]。

4.3 脂联素对骨形成的影响及在口腔领域的作用

脂联素具有三种不同的骨形成作用：①局部产生的脂联素通过旁分泌途径促进骨的形成；②体内循环脂联素的水平过高或过低对骨骼的形成会产生负面作用；③脂联素介导的对骨的间接作用是通过增强胰岛素信号传导发挥作用的[37]。

有研究发现脂联素受体激动剂(AdipoRon, APR)对破骨细胞的分化有抑制作用，显著减少了破骨细胞数量和牙槽骨丢失。APR还可减少病变牙龈组织中致炎分子CC、趋化因子配体2和白细胞介素6的产生。另一方面，APR通过促进成骨细胞分化来促进牙槽骨再生。APR对脂联素基因敲除小鼠牙周炎的治疗也取得了相同的结果，表明APR具有激活内源性脂联素受体发挥骨代谢作用的能力[38]。此研究支持APR可以作为一种有效的方法来治疗2型糖尿病相关性牙周炎。此外，脂联素可通过激活AMPK减轻线粒体损伤，从而逆转成骨细胞损伤，促进糖尿病环境下钛种植体周围的骨结合[32]，脂联素作为一种新的有前途的活性成分有望改善糖尿病患者钛种植体周围骨组织的改建。腺病毒介导的脂联素还可改善去卵巢骨质疏松大鼠钛种植体周围骨结合[39]，可能成为在骨质疏松条件下进行种植体植入的新策略。

5 总 结

脂联素是血浆中最普遍的脂肪细胞因子，也是一种经典的抗炎药物，通过adipoR1和adipoR2信号传导机制减少了各种细胞类型的炎症。不同的脂联素多聚体显示出独特的生物学功能，它们可抑制肝细胞中葡萄糖的产生，促进骨骼肌中脂肪酸的氧化及葡萄糖的摄取。脂联素水平的增加和脂联素信号传导的增强可能有助于改善代谢疾病中骨骼的病理变化，而脂联素受体为治疗各种代谢性疾病提供了药物靶标，直接增加脂联素信号传导或间接增加脂联素血清水平为治疗代谢性骨骼疾病提供了新的治疗思路。由于过高脂联素导致的骨代谢疾病，也可通过抑制脂联素的信号传导，降低血清中脂联素的水平，使疾病得以改善。adipoR1具有骨合成代谢作用，各种生理或病理条件下，骨中脂联素受体的表达状态可以决定脂联素对骨骼的作用。解决这些问题将为理解脂联素在骨骼上的真正作用提供重要的理论依据。