谷物蛋白及多肽调控2型糖尿病靶点研究进展

王 晗，侯殿志，付永霞，赵卿宇，沈 群

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，国家粮食产业（青稞深加工）技术创新中心，国家果蔬加工工程技术研究中心，北京 100083）

糖尿病是一种常见的慢性代谢疾病，与持续的高血糖水平密切相关[1]，近年来，患者的年龄范围不断扩大，低年龄段患者数量的不断增加使人们对糖尿病的关注程度越来越高。根据美国糖尿病协会公布标准，糖尿病分为4 类，分别是自身免疫1型糖尿病、2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）、妊娠期糖尿病、其他特殊原因引起的糖尿病，其中T2DM患者占总患病人数的90%以上[2]，糖尿病发病机制如图1所示。

目前市面上的抗糖尿病药物针对不同的治疗靶点对病情管理有一定帮助作用，但部分药物起作用的同时也会给人体带来损伤[3-4]。如二甲双胍会加重肾衰竭患者的病情，磺脲类药物刺激胰岛素分泌的同时也会导致体质量增加和低血糖等[5]，因此研究人员致力于寻找可行的天然活性物质结合饮食的调节模式来替代药物治疗。目前功能性活性物质主要为动、植物性食品中的蛋白质、多酚化合物、膳食纤维和脂质等，而动物蛋白的大量摄入与慢性疾病发病率的升高密切相关，因此研究人员将研究重心逐步转移到植物性蛋白和多肽[6-8]。

谷物广泛分布于世界各地，近年来不断有研究表明谷物的摄入能降低慢性疾病的发病率[9]。随着研究的深入，人们发现谷物中的蛋白质和多肽对糖尿病具有治疗作用，如小米蛋白的摄入可能改善了糖尿病的症状[10-11]，大麦蛋白的摄入则与血压的降低可能存在联系等[12]。因此，本文重点对近年来谷类作物中蛋白和多肽对T2DM治疗靶点的调节进行了总结。

1 糖尿病治疗靶点及相关药物研究现状

1.1 糖尿病治疗靶点及相关机制

目前常见的糖尿病治疗靶点主要包括α-淀粉酶、α-葡萄糖淀粉酶、二肽基肽酶-4（dipeptidyl peptidase-4，DPP-IV）、胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）、抑胃肽（gastric inhibitory polypeptide，GIP）、胃肠激素肽（peptide tyrosine tyrosine，PYY）、葡萄糖转运蛋白（glucose transporters，GLUTs）和钠依赖性葡萄糖协同转运蛋白（sodium-glucose cotransporters，SGLTs），与T2DM相关的治疗靶点标志物及其作用如图2所示。

图2 与T2DM相关的治疗标志物Fig. 2 Therapeutic markers for T2DM

1.2 α-淀粉酶、α-葡萄糖淀粉酶

在人体中，碳水化合物被分解为单糖（葡萄糖）后才可进入血液循环，α-淀粉酶、α-葡萄糖淀粉酶在此过程中起重要作用。α-淀粉酶（EC3.2.1.1）由胰腺分泌，主要分布于小肠，在淀粉和糖原的消化中起重要作用，它可以通过“多重进攻”机制将直链、支链淀粉、糖原等大分子的α-1,4-糖苷键水解，使这些大分子聚合物分解为分子质量较小的麦芽糊精和寡糖，如麦芽糖、麦芽三糖、鼠李糖、α-(1,4)-极限糊精等[13-15]，这个过程是淀粉分解随后进入血液循环全过程的第一步。α-葡萄糖苷酶（EC3.2.1）是人体糖代谢中最重要的酶之一，位于小肠刷状边缘[16]，直接参与淀粉和糖原的水解途径，主要功能是水解葡萄糖苷键，使多糖变为葡萄糖进入血液循环。因此，抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖淀粉酶的活性可以有效降低患者餐后血糖水平，对糖尿病患者具有重要的治疗意义，这两种酶对碳水化合物摄入后血糖水平变化过程的影响如图3所示。

图3 涉及α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶的碳水化合物消化过程Fig. 3 Carbohydrate digestion process involving α-amylase and α-glucoamylase

阿卡波糖、伏格列波糖、米格列醇等是目前市场上较常见的相关抑制药物，它们能够通过抑制这两种酶的活性来降低碳水化合物转变为葡萄糖的速率。

膳食营养方面的降糖研究往往会考虑对α-淀粉酶、α-葡萄糖淀粉酶的抑制作用，对谷物组分如蛋白及蛋白水解物的研究也不例外，目前也已发现大米、藜麦等谷物的蛋白和多肽对这两种酶具有一定的抑制作用。

1.3 二肽基肽酶-4

DPP-IV是丝氨酸蛋白酶的一种，主要存在于肝、肾、小肠的上皮组织中，具有循环性以及可溶性[17]，它裂解后产生丙氨酸或脯氨酸残基，随后通过底物多肽的N端将二肽除去[18]。DPP-IV可导致趋化因子GLP-1和GIP的降解，使两者的促胰岛素活性丧失[19-21]。GLP-1和GIP都是肽类激素，能刺激胰岛β细胞分泌胰岛素[22-23]。有报道称，口服葡萄糖引起的胰岛素反应有约60%都是由GLP-1和GIP介导的。此外，GLP-1具有减少胃排空和进食，增加饱腹感和抑制胰高血糖素分泌等作用[24-26]；GIP则具有抑制胃蛋白酶分泌、抑制胃蠕动和排空、刺激小肠液分泌等作用。抑制DPP-IV的活性不仅能延长GLP-1和GIP的半衰期、还能促进两者的分泌和活性水平，最终达到控制血糖水平的效果。

西格列汀、萨格列汀、维拉格列汀、阿罗格列汀等药物可作为DPP-IV抑制剂，具有抑制DPP-IV活性和胰高血糖素分泌、促进GLP-1、GIP分泌和减少胃排空等作用，能够降低血糖水平；而艾塞那肽、利西那肽、杜拉鲁肽等药物则起到胰岛素类似物的作用，可以作为GLP-1的受体激动剂促进GLP-1的分泌。

目前的研究发现多种谷物（大米、小米等）、假谷物（藜麦等）的蛋白及多肽（多数为短链肽）都能对DPP-IV产生抑制作用，抑制强度随谷物蛋白种类、肽序列组成而变化。

1.4 胃肠激素肽

PYY是除GLP-1外的另一种肠道激素，近年来不断被证明是治疗糖尿病和肥胖的有效靶点。PYY由36 个氨基酸残基组成[27]，位于回肠和结肠黏膜的L细胞（内分泌细胞）是其主要来源。与GLP-1相同，PYY同样受DPP-IV的影响，在DPP-IV的作用下，PYY1-36转变为最丰富的循环形式——PYY3-36，肽的生物学特性和受体特异性随之改变[28]。PYY可与3种受体亚型（Y1、Y2、Y5）结合，PYY3-36与位于下丘脑的Y2受体结合后[29-31]，主要产生刺鼠相关肽和神经肽Y，两者能够抑制下丘脑神经元的活动进而产生饱腹感和能量支出，同时抑制消化液分泌，减少食物摄入量[32-33]。PYY虽然被认定是一种胃肠激素肽，但胰腺中也发现了其存在[34]。此外，研究发现子宫中最初的胰岛里也存在PYY的表达，因此PYY与胰腺的相关功能很可能具有潜在的关系，研究发现将小鼠胰岛分离后，其被葡萄糖刺激的胰岛素分泌行为可被PYY抑制[35-37]，推测PYY能通过某种途径抑制胰岛β细胞发挥作用；当有选择地消除PYY后，机体会出现高血糖现象，胰岛素分泌也受到影响[38]。在病情治疗方面，目前缓解T2DM最有效的方法是减肥手术[39]，胰岛分泌功能的改善是手术后期恢复阶段控制血糖和T2DM病理机制的关键。PYY被证明在T2DM患者胰岛的后期恢复中起作用，有利于患者病情的控制[40-43]。刺激PYY和GLP-1的释放对T2DM和肥胖相关疾病的治疗已经成为人们关注的焦点[44]。

研究结果显示，以油棕基因组DNA为模板，PCR扩增获得的条带长度为1035 bp，与预期目的条带长度相符且没有非特异性扩增(图1)。分析克隆得到的DGAT2基因启动子序列，并对其所含的功能元件进行预测，结果表明该序列中含有基础启动子元件，包括52个TATA-Box和19个CAAT-Box，符合启动子的基础特征；包含大量的光反应元件ACE、G-Box和Sp1及部分光反应元件I-Box、GA-motif等；含有4种激素反应元件，主要包括水杨酸、茉莉酸、赤霉素和脱落酸反应元件，还包括转录因子MYB 结合位点和热应激反应元件等(表2、图2)。

研究发现二甲双胍能够促进PYY分泌及表达[45]，二甲双胍起到与GLP-1受体激动剂相似的作用，改善了胰岛素抵抗，降低了肝脏葡萄糖输出和血浆葡萄糖浓度。

现阶段有关谷物蛋白、多肽促进PYY活性和分泌的研究还较少，但有上升趋势，这可能与近年来对PYY影响血糖变化研究受关注程度逐渐升高有关。

1.5 葡萄糖转运体

葡萄糖转运体主要分为2 类，分别是SGLTs和GLUTs，前者为依赖钠的葡萄糖转运体，逆浓度梯度主动运输葡萄糖；后者则以易化扩散的方式顺浓度梯度转运葡萄糖。

1.5.1 钠依赖性葡萄糖协同转运蛋白

SGLTs是一种膜蛋白家族，负责运输葡萄糖、离子、维生素和一些氨基酸，途经肾脏近曲小管以及肠道上皮细胞的刷状边界膜[46]。葡萄糖属于极性化合物，不能直接通过细胞膜，其跨膜运输需借助位于膜内的载体蛋白。血液中的葡萄糖被肾小球过滤后，SGLTs通过近曲小管上皮细胞的顶膜或管腔膜将过滤后的葡萄糖重新吸收，随后SGLTs将钠和葡萄糖的转运结合起来。

SGLT1和SGLT2属于SGLTs家族，SGLT2是一种低亲和力的转运蛋白，作用于葡萄糖在肾脏的重吸收环节，并起关键作用，SGLT2在葡萄糖重吸收过程中的作用占比约为90%，SGLT1则对重吸收后葡萄糖剩余10%左右的部分起作用[47]。在肠细胞中，SGLT1是主要的葡萄糖转运蛋白且具有高亲和力的特点，它以2∶1的化学计量比转运钠和葡萄糖。已有研究表明，糖尿病患者的葡萄糖最大转运值（the glucose transport maximum，TmG）高于非糖尿病患者，而胰岛素疗法可以降低患者的TmG[48]。此外，SGLT2有助于肾脏葡萄糖重吸收，抑制SGLT2可以降低肾脏葡萄糖排泄阈值，使血糖水平降低。

恩格列净、达格列净、卡那格列净、伊帕格列净等药物对SGLT2具有抑制作用，它们主要通过抑制葡萄糖的重吸收来降低血糖水平。

GLUTs属于膜转运体的辅助性超家族的主要成员，均由500 个以内的氨基酸组成，由SLC2A基因编码，其参与作用的跨膜结构域共有12 个[49-50]，包括GLUT1～GLUT14共14种亚型，它们的主要作用是负责人体不同组织器官中葡萄糖的转运和重吸收。目前对GLUT1～GLUT5的机制研究较为清晰[51]，而GLUT1、GLUT4、GLUT9被证明与胎盘葡萄糖转运有重要作用，因此与妊娠糖尿病关系密切，其中GLUT4功能异常和胰岛素分泌异常是导致T2DM的主要原因之一[52]。

GLUT4是最重要的胰岛素调节葡萄糖转运蛋白之一，在脂肪细胞、骨骼肌和心肌细胞中表达最明显[53]，其因在这些细胞中起到特定作用而被称为胰岛素应答性葡萄糖转运蛋白[54]。人体摄入碳水化合物后，体内胰岛素水平上升，位于细胞内的GLUT4被重新分配到质膜，相应组织对葡萄糖的摄取和代谢随之增加，血糖水平随之得到控制。这种由胰岛素引起的GLUT4转移到质膜的缺陷称为外周胰岛素抵抗，T2DM由胰岛β细胞分泌胰岛素异常、肝脏胰岛素抵抗和外周胰岛素抵抗共同引发[55]，且胰岛素水平升高的情况下，血液中大部分葡萄糖是被骨骼肌吸收的，因此GLUT4对人体葡萄糖稳态的调节起到关键作用。GLUT4表达水平的提高能解除外周胰岛素抵抗，使血糖转移、吸收和利用过程加快，有利于调节患者的血糖水平。

研究发现豆类如绿豆和大豆的蛋白、多肽对SGLT1、GLUT-4具有调节作用[56-58]，而有关谷物蛋白和多肽对葡萄糖转运体的研究还较少。

2 谷物蛋白及多肽调节T2DM相关靶点

众多研究表明，植物中提取的蛋白质及生物活性肽（bioactive peptides，BAPS）具有抗癌、抗氧化、抗炎、抗糖尿病和调节脂代谢等生物学特性[59-60]，故植物性蛋白质和多肽的具体功能逐渐成为人们研究的焦点。谷类、假谷类是植物性食品中蛋白和BAPS的重要来源[9]，常见的谷物主要包括大米、小麦、玉米、小米、燕麦等，假谷物则包括苋菜籽、藜麦等。假谷物与谷物功能相似，都含有对人体有益的蛋白质和多肽，其蛋白质主要储存于球蛋白和白蛋白部分，且具有一定的抗糖尿病活性[2,59]。此外，藜麦、苋菜籽、奇亚籽的蛋白质含量（10%～25%）优于常见谷物（10%～15%），氨基酸种类齐全且必需氨基酸含量均衡，可以成为谷物蛋白和BAPS的理想来源[61-62]。

2.1 谷物蛋白调节T2DM治疗靶点

近年来的研究显示谷物蛋白及其提取物具有降低血糖、缓解T2DM的作用，具体作用主要是通过抑制或促进DPP-IV、GLP-1、GIP、相关酶等糖尿病治疗靶点的表达水平实现的，谷物蛋白干预T2DM治疗靶点部分实验如表1所示。

表1 谷物蛋白干预T2DM治疗靶点Table 1 Cereal protein intervention in therapeutic targets for T2DM

2.2 谷物多肽调节T2DM治疗靶点

谷物多肽是通过水解谷物蛋白得到的，研究人员在进行谷物蛋白相关体外、动物实验时，对蛋白水解产生的多肽也进行了相关的测序和功能研究，结果发现谷物多肽对T2DM治疗靶点同样具有抑制作用，干预强度与肽段长度和序列组成密切相关，谷物多肽干预T2DM治疗靶点部分实验如表2所示。

表2 谷物多肽干预T2DM治疗靶点Table 2 Cereal peptides intervention in therapeutic targets for T2DM

续表2

BAPS一般由2～20 个氨基酸组成，其中二、三肽即小分子肽具备更显著的DPP-IV抑制活性，且相关实验结果表明谷物的大分子肽对糖尿病治疗靶点的调节作用并不明显。此外，多肽组成中，P（脯氨酸）、V（缬氨酸）、A（丙氨酸）、F（苯丙氨酸）等氨基酸出现的次数较多，推测这些特定氨基酸可能在多肽的抑制活性中起重要作用。

3 结 语

通过总结众多研究成果，发现谷物中的蛋白质和多肽不仅可以作为生产T2DM药物的天然来源，而且与市场上流行的化学药物相比更加温和、更具有安全性。现阶段还有一些方面的问题需要深入研究：1）目前对谷物蛋白和多肽的临床研究主要集中在降压和降脂方面，降糖方面的研究还未得出有效成果；2）近年来，抗糖尿病、抗氧化、抗炎等研究与肠道菌群丰度联系紧密，谷物蛋白、多肽对肠道微生物的影响研究较少；3）谷物BAPS的利用价值和治疗潜力高，口服后起作用的是多肽本身还是代谢后产物等问题需进一步明确；4）高纯度BAPS的获取方法不够成熟、成本高、获取率低等问题使其难以进行大规模提取，进而导致其相关产品的开发受到影响，这类工程化问题应引起研究人员的重视。