脂肪酸去饱和酶2基因在糖脂代谢中的研究进展

王国杰，田 烨，张慧英

天津医科大学总医院妇产科，天津 300052

脂肪酸去饱和酶2(fatty acid desaturase 2，FADS2)基因位于人11号染色体长臂12- 13.1区带，是脂肪酸去饱和酶基因家族中的一员，编码δ6去饱和酶(delta- 6 desaturases，D6D)。D6D催化必需脂肪酸亚油酸和α-亚麻酸转化为长链多不饱和脂肪酸(long-chain polyunsaturated fatty acid，LC-PUFA)，是LC-PUFA生物合成途径的关键酶[1]。LC-PUFA是生物体不可或缺的脂肪酸，它们在调节生物体的糖脂代谢方面发挥至关重要的作用。近年来，已有许多临床研究及基础动物实验报道，FADS2基因的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)及所编码的D6D活性与糖脂代谢密切相关，如胰岛素抵抗与2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)、血脂异常、肥胖等。本文就FADS2基因在糖脂代谢中的作用做一综述，为FADS2基因在糖脂代谢相关疾病的防治方面提供一定的理论依据。

FADS2基因的功能

FADS2基因位于第11号染色体，由12个外显子和11个内含子组成，跨越39.1 kb区域，编码含有444个氨基酸的蛋白。其主要结构特点是包含1个细胞色素b5样结构域、2个跨膜结构域和3个富含组氨酸的结构域[2]。这些富含组氨酸的结构域在脂肪酸去饱和酶基因家族是高度保守的结构域，因为其中的组氨酸残基是铁原子的潜在配体，参与构成去饱和酶的催化中心。FADS2基因在不同的生物体中发挥着重要的生理或病理作用[3- 4]。FADS2基因在人体组织中广泛表达，以肝脏表达水平最高[5]。

FADS2基因编码D6D，催化必需脂肪酸亚油酸和α-亚麻酸去饱和为γ-亚麻酸和十八碳四烯酸，随后两者通过碳链延长、去饱和及β氧化，最终生成一系列LC-PUFA。LC-PUFA是指含有碳双键数≥3个且碳链长度≥20个碳原子的多不饱和脂肪酸，分为n- 3和n- 6系列。研究表明LC-PUFA在调节生物体的糖脂代谢方面发挥至关重要的作用，如在骨骼肌中，LC-PUFA可以增强葡萄糖转运蛋白4的表达，从而改善外周组织的胰岛素敏感性[6]。Wang等[7]研究发现补充LC-PUFA 12周，即可有效降低糖耐量异常患者的血糖和胰岛素抵抗。而在肝脏中，LC-PUFA可抑制脂肪合成酶的活性，促进脂肪酸的氧化分解，从而减少血清三酰甘油(triglyceride，TG)的水平[8]。

FADS2基因与糖代谢

D6D活性与T2DM由于FADS2基因编码的D6D是催化LC-PUFA合成的关键酶，其活性的改变导致细胞膜脂肪酸谱的改变，这在糖代谢异常中起到了关键的作用。迄今为止，还没有统一的标准来表示D6D的活性。目前推荐标准是以脂肪酸产物与前体的比率来表示D6D活性，如γ-亚麻酸与亚油酸的比值[9]。一方面，已有文献报道，高D6D活性为T2DM风险增加的独立相关因素，高D6D活性人群患T2DM的风险是低D6D活性人群的1.68倍[10]，另一方面，T2DM患者体内D6D活性显著升高。Shetty等[11]研究发现T2DM患者体内D6D活性为健康人群的1.71倍。由此可见，D6D的活性可预测T2DM的患病风险，而T2DM也影响着D6D的活性。

D6D活性与T2DM的发病机制目前尚不明确。已有的研究表明，D6D活性的改变导致内源性LC-PUFA谱的改变，进而影响细胞功能如胰岛素受体的表达、细胞膜的流动性等[12]。LC-PUFA最重要的功能是保证细胞膜有足够数量的胰岛素受体。如果在胎儿和婴幼儿时期，细胞膜中的LC-PUFA合成异常，就会导致胰岛素受体的表达或功能缺陷，导致T2DM[13]。另一方面，细胞膜流动性的改变，会导致葡萄糖转运蛋白1(glucose transporters 1，GLUT1)构象发生变化，进而降低GLUT1对葡萄糖的亲和力，减少β细胞对葡萄糖的摄取，增加T2DM风险[14]。此外，也有学者认为高D6D活性引起过多的LC-PUFA在肝脏和脂肪组织中积累，激活脂质分解和脂肪生成的代谢转换，进一步影响胰岛素的信号传导，导致T2DM[15]。

FADS2基因SNP与糖代谢由于D6D活性与FADS2基因的遗传变异高度相关，因此，研究者还试图从遗传多态性的角度探讨FADS2基因的SNP与糖代谢的关系。Kim等[16]研究FADS2 rs174575位点突变对576例30～79岁健康韩国男性空腹胰岛素水平和稳态模型评估的胰岛素抵抗指数(homeostasis model assessment insulin resistance，HOMA-IR)的影响，结果发现，rs174575 G等位基因携带者的空腹胰岛素水平明显高于rs174575 CC同源者[(9.7±5.9) μU/ml比(8.7±3.8) μU/ml]，并且FADS2 rs174575 G等位基因携带者的HOMA-IR是rs174575 CC同源者的1.9倍。而Cormier等[17]在一项纳入210例受试者的随机对照试验中发现，在外源性补充LC-PUFA干预6周后，FADS2 rs482548位点突变能显著升高加拿大人群的空腹血糖水平，而其他SNP位点(如rs7394871，rs174602，rs174570，rs7482316)突变则能显著降低HOMA-IR。此外，Yao等[18]报道在我国北方汉族人群中FADS2 rs174616位点突变与T2DM患病风险降低高度相关，该位点T等位基因携带者患T2DM的风险仅为对照组的0.65倍，这表明FADS2基因的SNP与不同人群中的HOMA-IR和T2DM的关联存在种族差异。

FADS2基因的SNP与糖代谢的关系因FADS2基因突变位点的不同而不同。目前关于FADS2基因的SNP与糖代谢的研究仅停留在发现基因突变位点的浅层次研究，研究的样本数量偏少，结果的可重复性不高，并且缺乏相应的功能学研究，因此仍然需要后续深入的研究。

n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例与糖代谢FADS2基因与n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例密切相关。Zhao等[19]采用成簇的规律间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR)和CRISPR相关蛋白9(CRISPR-associated protein 9，Cas9)基因编辑技术构建FADS2基因敲除(FADS2 -/-)斑马鱼模型，通过气相色谱法对FADS2 -/- 斑马鱼的肝脏组织进行脂肪酸谱分析发现，与野生型(wide type，WT)斑马鱼相比，FADS2 -/- 斑马鱼肝脏中的亚油酸和α-亚麻酸水平升高，γ-亚麻酸和二十二碳六烯酸水平降低，同时n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例显著增加。同样，Monk等[20]也报道，与WT小鼠相比，喂食富含α-亚麻酸饮食干预9周后，FADS2 -/- 小鼠脾脏中的n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例从1.4∶1显著增加到4.3∶1。由此可见，FADS2基因在调节n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例方面发挥了重要的作用。

适宜的n- 6/n- 3 LC-PUFA比例对机体健康至关重要。一般认为，n- 6/n- 3 LC-PUFA的最佳摄入比例小于或等于4∶1，然而Simopoulos[21]发现在西方饮食中，n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例高达15∶1～17∶1。高比例的n- 6/n- 3 LC-PUFA饮食可加剧炎症介导的胰岛素抵抗，导致T2DM的发病风险升高[22]。这是因为n- 6 LC-PUFA是促炎物质的前体，通过合成促炎介质如前列腺素E2和白三烯B4等，增强外周组织的氧化应激反应，降低外周组织对胰岛素的敏感性，从而导致胰岛素抵抗[23]。相反，n- 3 LC-PUFA是抗炎物质的前体，通过合成抗炎介质如消退素和保护素D1等，保护胰岛β细胞免受自由基的损害，增加胰岛素的分泌，从而改善胰岛素抵抗[24]。因此，n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例失衡在T2DM的发生发展中起着重要的作用。

近年来，有研究表明，膳食补充n- 3 LC-PUFA调节n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例对T2DM具有治疗潜力。Jacobo-Cejudo等[25]在一项随机对照试验中将54例T2DM患者随机分为试验组(n=29)和对照组(n=25)，试验组每日接受520 mg富含n- 3 LC-PUFA的鱼油，对照组接受同等剂量安慰剂，干预24周后，发现试验组血糖浓度明显降低[(156.1±69.4)mmol/L比(177.2±68.4) mol/L，P=0.011]，对照组血糖浓度无明显变化[(183.3±53.3) mmol/L比(184.6±71.1) mol/L，P=0.326]。因此，适宜的n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例对糖代谢至关重要。补充n- 3 LC-PUFA对T2DM患者血糖的控制具有积极的作用，这一发现可为T2DM患者的日常饮食提供有益的指导，但仍需要更多的临床试验和循证医学证据来进一步证实。

FADS2基因与脂代谢

血脂异常除了糖代谢以外，FADS2基因的SNP与血脂水平的关系一直是研究热点之一。Nakayama等[26]采用多元线性回归模型和加性遗传模型对亚洲人群的基因组进行全基因组关联分析(genome-wide association study，GWAS)发现，FADS2 rs174547位点的风险等位基因与TG、高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoprotein cholesterol，HDL)、低密度脂蛋白胆固醇(low density lipoprotein cholesterol，LDL)水平密切相关。在日本人群中(n=21 004)，rs174547 C等位基因携带者具有较高的TG水平和较低的HDL水平；而在蒙古人群中(n=1203)，rs174547 C等位基因携带者具有较低的LDL水平。随后，Wu等[27]报道FADS2 rs174575位点突变与我国北方汉族人群(n=992)总胆固醇(total cholesterol，TC)水平明显相关。该位点风险等位基因携带者TC浓度明显低于rs174575 GG同源者[(4.38±0.41) mmol/L 比(5.13±0.06) mmol/L]。由于亚洲人群SNP的连锁不平衡模式和单倍型结构无明显差异，因此，目前推测FADS2基因对亚洲人群血脂谱的影响可能是由于膳食中LC-PUFA的摄入不同所致，具体作用机制还有待进一步研究。在欧洲人群中，与血脂水平相关的FADS2基因SNP位点也被鉴定出来，如全球脂质遗传学联盟基于188 577例欧洲受试者的基因组数据进行的GWAS研究发现，FADS2基因位点rs174546与较低的TC、HDL、LDL水平和较高的TG水平密切相关[28]。

个体FADS2基因型与血脂水平之间的生物学机制尚不完全清楚。目前猜测与FADS2基因型高度相关的LC-PUFA可能是这些关联的内在原因。有研究报道，风险等位基因携带者中高浓度的LC-PUFA可以导致细胞膜流动性增加，从而降低LDL[29]。除了改变细胞膜的流动性外，LC-PUFA还可以激活转录因子如过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferators-activated receptor α，PPARα)。内源性LC-PUFA是PPARα的天然配体，一旦PPARα被激活，它将进一步促进载脂蛋白CⅢ和脂蛋白脂酶的表达[30- 31]。当载脂蛋白CⅢ表达增强时，其可抑制脂蛋白脂肪酶和肝脏脂肪酶，促使TG水平升高[32]。此外，LC-PUFA还可以通过直接作用于载脂蛋白B100，抑制其合成，从而降低所有由载脂蛋白B100构成的脂蛋白的血浆水平，尤其是LDL[33]。

脂肪组织FADS2基因在人和小鼠的脂肪组织中都有表达。然而，到目前为止，它在脂肪组织中的具体作用还不完全清楚。成年哺乳动物体内有白色脂肪组织(white adipose tissue，WAT)和棕色脂肪组织(brown adipose tissue，BAT)。WAT广泛分布于体内皮下组织和内脏周围，主要功能是将体内多余能量以脂肪的形式储存起来，是体内脂肪的主要储存形式。而BAT主要分布于颈背部、腋窝、纵隔周围，主要功能是将脂肪转化为热量[34]。

Stoffel等[35]研究发现，FADS2 -/-小鼠断奶后体重增长缓慢，4～5月龄时体重仅为WT小鼠体重的75%～80%。成年FADS2 -/-小鼠体型瘦弱，脂肪细胞大小约为WT小鼠的2/3，附睾WAT中LC-PUFA含量极低。Sarr等[36]也观察到类似的现象，即喂食富含α-亚麻酸饮食的FADS2 -/-小鼠比喂食相同食物的WT小鼠体重更低，附睾和腹股沟WAT中几乎没有LC-PUFA及所衍生的氧化脂质。由此推测FADS2 -/-小鼠对肥胖的抵抗力与WAT中较低的LC-PUFA含量和脂肪细胞变小有关。值得注意的是，尽管FADS2 -/-小鼠表现出对肥胖的抵抗力，但与WT小鼠相比，FADS2 -/-小鼠的胰岛素敏感性却降低，表现为体型瘦弱却伴发胰岛素抵抗，这一现象目前机制尚不清楚。近年来，临床研究也发现，FADS1 rs174537位点突变会导致WAT库中的脂肪酸分布异常[37]，但FADS2与WAT的研究目前仍处于探索阶段。

n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例与脂代谢n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例也是影响脂代谢的关键因素之一。动物实验表明，大鼠血脂水平与围产期母鼠饮食中n- 6/n- 3 LC-PUFA的特定比例相关。与围产期给予低n- 6/n- 3 LC-PUFA比例饮食的大鼠后代相比，围产期给予高n- 6/n- 3 LC-PUFA比例饮食的大鼠后代血清TG水平明显升高[(1.1±0.1) mmol/L 比(0.8±0.1) mmol/L，P<0.05][38]。Yang等[39]发现，与喂食n- 6/n- 3 LC-PUFA比例为20∶1的大鼠相比，喂食n- 6/n- 3 LC-PUFA比例为1∶1和5∶1的大鼠血清TC、LDL水平显著降低(P<0.05)，并且随着n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例从5∶1增加到20∶1，大鼠血清活性氧水平显著增加，这表明高n- 6/n- 3 LC-PUFA比例可能与氧化应激介导的血脂分布异常有关，但具体机制仍在研究之中。

n- 3 LC-PUFA具有抗炎作用，膳食补充n- 3 LC-PUFA有助于降低心血管疾病风险，抑制动脉粥样硬化，改善血脂谱[40]。Avelino等[41]在一项随机对照试验中将110例老年患者随机分为试验组(n=57)和对照组(n=53)，试验组每日补充3 g n- 3 LC-PUFA，对照组补充同等剂量安慰剂，干预12周后，发现试验组血清TC水平显著降低[(183.2±23.8) mg/dl比(199.2±18.6) mg/dl，P<0.05]，HDL水平显著升高(48.0±7.3) mg/dl比(43.9±6.5) mg/dl，P<0.05]。国内一项纳入2730例受试者、包含47个随机对照试验的Meta分析发现，膳食补充n- 3 LC-PUFA可显著降低TG(95%CI=-0.158～-0.044 mmol/L，P=0.001)，TC(95%CI=-0.224 ～-0.056 mmol/L，P=0.001)和LDL(95%CI=-0.191～-0.071mmol/L，P<0.001)水平。研究还指出膳食中每增加1 g n- 3 LC-PUFA 可降低TG 0.0016 mmol/L、TC 0.0071 mmol/L和LDL 0.0061 mmol/L[42]。此外，Li等[43]一项纳入1368例受试者、包含30个随机对照试验的Meta分析还发现，对于不同健康状况的人群，低n- 6/n- 3 LC-PUFA比例的饮食对T2DM患者的血脂影响更为显著，并且干预时间持续≥3个月时，TG、TC和LDL水平的下降趋势明显优于干预持续时间<3个月。

小 结

FADS2基因与糖脂代谢之间的关系是近年来的研究热点。作为LC-PUFA合成的关键基因，FADS2基因的SNP及所编码的D6D活性在调节糖脂代谢方面起着重要的作用，这为临床早期进行基因筛查和诊断糖脂代谢异常提供了有力的参考。然而，由于种族或地域差异，这些多态性位点并不完全相同。适宜的n- 6/n- 3 LC-PUFA比例对血糖和血脂的控制具有良好的干预效果，通过饮食调节糖脂代谢以及开发新型功能性食品可能成为未来的研究热点，但仍然需要大量高质量多中心前瞻性临床研究进一步证实。