短链脂肪酸受体GPR41、GPR43的信号通路及生理功能

王永安，张春雷，王艳红，陈 宏，房兴堂

（江苏师范大学细胞与分子生物学研究所，江苏 徐州 221116）

短链脂肪酸受体GPR41、GPR43的信号通路及生理功能

王永安，张春雷，王艳红，陈 宏，房兴堂＊

（江苏师范大学细胞与分子生物学研究所，江苏 徐州 221116）

短链脂肪酸（short－chain fatty acids，SCFA）是动物一种重要的能量来源，同时它也是一种重要的信号分子，它的生理功能和作用机制一直以来倍受关注。研究表明，GPR41和GPR43是目前已发现的仅有的2种特异性短链脂肪酸受体。它们可以通过介导短链脂肪酸，通过MAPK的信号通路，在调节机体内脂肪形成和白细胞功能等生理过程以及在动物肠道对营养物质的吸收中发挥重要作用。本文就短链脂肪酸受体GPR41和GPR43的结构、分布、下游信号通路，及其介导SCFA生理功能的最新研究进展进行简要综述。

短链脂肪酸；GPR41；GPR43；信号通路

短链脂肪酸（short－chain fatty acids，SCFA）是含有2～5个碳原子的有机酸，主要由肠道中细菌对寡糖、多糖、肽、蛋白和糖蛋白的发酵作用所产生的。肠道中的厌氧微生物发酵作用包括多种代谢反应。它可以分解有机物，为生物的自身生长提供能量，其代谢终产物可以被宿主吸收利用。肠道中的SCFAs不仅可以作为营养物质而被吸收还可以影响肠道各种生理作用。GPR41和GPR43是目前已发现的仅有的2种特异性短链脂肪酸受体。它们可以通过介导短链脂肪酸，在调控脂类代谢和免疫反应等生物学过程以及在动物肠道对营养物质的吸收中发挥重要作用［1］。

1 G蛋白偶联受体

G蛋白偶联受体（G protein～coupled receptors，GPCRs）是指和GTP结合蛋白偶联，存在于细胞表面是由单条多肽链经7次跨膜形成的受体，其N端位于细胞的外面，C端位于细胞的内侧。可与细胞外的多种配体相结合从而可以调控多种生理反应。GPCRs是目前已知的细胞表面最大受体超家族。据统计，人的基因组大约由1000个成员编码。细胞外无数的信号分子包括氨基酸、生物胺、脂质、异嗅物质、离子、蛋白酶、核酸、肽类，多肽甚至光量子等都可以激活G蛋白偶联受体。一些G蛋白偶联受体可以被内源性化合物激活，它们被称为孤儿型受体属于A类G蛋白偶联受体。GPR41和GPR43就是G蛋白偶联受体超家族中孤儿型受体的成员。尽管不同的类型间的基因序列没有同源性，但是所有的GPCRs均具有相同的结构和信号转导机制。当配基与G蛋白偶联受体结合之后就可以引起G蛋白偶联受体构象的改变，作为一个鸟苷酸交换因子。G蛋白偶联受体可通过交换GDP到GTP激活和其偶联的G蛋白［2］。

2 GPR41和GPR43简介

GPR41和GPR43可以被短链脂肪酸激活，2003年，两个不同的研究组，Le Poul et al和Brown et al同时报告了两个孤儿型G蛋白偶联受体GPR41和GPR43的配体。他们发现短链脂肪酸是他们的配体并且会对两个受体产生不同的效力［3］。人的GPR41和GPR43基因一开始被鉴定为四个无内含子的基因，定位于人的第19号染色体长臂（19q13.1）［4］。GPR41和 GPR43氨基酸序列同源性为43%。这些受体在人、牛、鼠等物种间高度保守。短链脂肪酸受体GPR41和GPR43也可以分别被称为FFA3R和FFA2R［2］。

2.1 GPR41和GPR43结构特点

对GPR41与GPR43两个受体亲水性分析显示他们都包含有7个疏水区域，对它们序列的进一步分析表明，这两个短链脂肪酸受体GPR41和GPR43都属于A类G蛋白偶联受体。由于他们与绝大多数A类G蛋白偶联受体都具有相似的结构特点，其第一与第二个胞外loop都包含了半胱氨酸残基，这可能与其分子内二硫键的形成有关，在第5、6、7跨膜区都有脯氨酸残基，在第一个跨膜区有个天冬酰胺残基和在第二跨膜区有天冬氨酸残基但在第三个跨膜区的底部包含了一个精氨酸。Asp－（Glu）－Arg－Tyr（D（E）RY）是A类GPCRs的高度保守的区域。FFA2包含了一个Glu－Arg－Tyr基序，而FFA3在此为点却为 Glu－Arg－Phe基序。C2－C5的短链脂肪酸均可激活FFA2－FFA3。由于没有高亲和力的配体和GPR41和GPR43相互之间作用，所以鉴定残基会有助于这两个受体的正构配体结合。当前关于这两个受体的研究仅仅都是简单的缺失GPCRs功能区域或者用点突变GPCRs的方法来改变信号［5］或者通过模拟［6］来研究。例如，改变短链脂肪酸受体的FFA3第174位精氨酸那么FFA3突变体会不能介导丙酸传导信号。

虽然2－5个碳原子的短链脂肪酸对激活GPR41和GPR43有明显的变构作用，但是使用这些配体激活受体要去清楚的研究这两个受体的作用却不是很准确的，尤其是当一个组织同一时间表达这两个受体的时候。目前关于两个受体的研究只限于利用siRNA介导的基因沉默或是获得基因敲除鼠。因此，利用这些方法并不能清楚知道GPR41和GPR43具体的作用机制［7］。

3 短链脂肪酸受体GPR41和GPR43的组织分布

最初研究表明，GPR41在人的脂肪组织、胰腺、脾脏、骨髓和外周血单核细胞都具有较高的表达量，但脂肪组织中是表达量最高的。3T3F442A和3T4－L1前脂肪细胞系也可检测到GPR41的表达，其相对表达量比较低，但是它的表达量会伴随着脂肪的分化而增加。Brown等［3］和 Xiong等［8］发现人的GPR41在人的脂肪组织中、老鼠的白色脂肪和分化的细胞系都有表达。实时荧光定量PCR分析结果表明：奶山羊GPR41基因在皮下脂肪、乳腺、胸部肌肉、瘤胃、小肠、心脏、肺脏、肝脏、肾脏、脾脏、卵巢及垂体12个组织中均有表达。且在小肠组织中表达量最高，其次是乳腺组织。实验结果表明GPR41可能在小肠和乳腺组织中发挥着重要的生理作用

GPR43在各个组织中均表达，但是其在免疫细胞中表达最高。如嗜中性粒细胞、单核细胞、B淋巴细胞、外周血单核细胞和多形核白细胞等［3］，GPR43在骨髓和脾脏中具有很高的表达量，这被认为是受体在免疫细胞中的表达反应。GPR43之所以被认为在免疫细胞里高表达这是因为很多物种的GPR43是首先从粒细胞中被克隆而出来的［10］，GPR43也在人乳腺癌细胞系MCF－7、脂肪细胞及在大鼠远端结肠和回肠中表达。采用实时定量PCR的技术检测干奶期奶山羊不同组织的GPR43基因的表达情况，结果表明在所检测的9个组织中GPR43在脾脏中表达最高，小肠、肝脏脂肪次之，肾脏和肺脏表达相对最少，而乳腺中也有少量的表达［11］。

4 信号转导

GPR41和GPR43都可以被SCFA所激活，SCFA对GPR41为：戊酸（C5）＝丙酸（C3）＝丁酸（C4）＞乙酸（C2）＝甲酸（C1），并且SCFA间具有一定的协同作用，GPR43活性的强弱顺序为：乙酸（C2）＝丙酸（C3）＞丁酸（C4）＞戊酸（C5）＝甲酸（C1）［12］。

在重组表达的GPR41或GPR43CHO细胞中，SCFA诱导后都能引起肌醇三磷酸（IP3）水平上升，cAMP含量的下降，并且导致MAPK的活化和钙离子的释放。百日咳毒素处理后会使得GPR41的钙流反应完全消失，但对GPR43引起的钙流反应影响不大。这些研究成果显示，两个受体和G蛋白的偶联情况不同，GPR41主要是结合于对百日咳毒素敏感的Gi，而GPR43部分与Gq偶联，部分与Gi结合［13］。

丝裂原活化蛋白激酶（mitogen－activated protein kinase，MAPK）磷酸化级联反应是一条重要的信号传导通路，与细胞的分化、增殖密切相关，MAPK包括细胞外信号调节激酶ERK、应激活化蛋白激酶JNK、蛋白激酶p38。Le Poul［13］报道，SCFA诱导重组表达的GPR41和GPR43CHO细胞，引起ERK1／2的活化［13］，而 Yonezawa T［14］等报道，在人乳腺癌细胞中SCFA通过GPR43诱导p38MAPK的活化，呈时间依赖性增加，而对于MAPK另外两条途径ERK1／2和JNK 却无显著作用；虽然GPR41和GPR43在不同细胞系中MAPK信号途径存在差异，但这些研究充分显示，GPR41和GPR43与MAPK信号途径密切相关。

5 生理功能

5.1 GPR41的生理功能

瘦素是主要由白色脂肪组织分泌的激素，它参与能量的储存［15］，并与其他多种生理过程紧密相连。研究表明，瘦素信号受阻后，人和鼠都将出现多种缺陷包括：食欲过剩、严重的肥胖，免疫缺陷和不孕不育等［15，16］。在瘦素缺陷性和野生型的小鼠机体中添加外源性瘦素均可降低小鼠采食量、增加体重及增加能量消耗［17］。能量的平衡紧密地调控着瘦素的循环水平。瘦素的表达水平和肥胖相关，被认为可以作为身体脂肪储存的一个指标。禁食可显著降低瘦素的水平，当给禁食的动物注射胰岛素后可增加脂肪组织瘦素分泌，这表明摄食后胰岛素的激增可调控瘦素的分泌。

多种激素可影响瘦素的分泌，包括过氧化物酶体增殖物激活受体激活剂、糖皮质激素、儿茶酚胺类、尿苷的N－乙酰氨基葡萄糖、细胞因子、腺苷和内皮素等。Xiong等［8］在脂肪细胞中过表达了GPR41发现，GPR41表达水平的增加可增加丙酸刺激瘦素的能力，相反，当用SiRNA干扰了GPR41后，丙酸刺激瘦素的效应被阻止。而且当他们给老鼠口服丙酸盐后发现老鼠体内瘦素的浓度是正常时的两倍［8］。

利用乙酸盐、丙酸盐或丁酸盐处理牛分化的脂肪细胞发现增加了瘦素mRNA的表达水平，但是当给细胞预先处理了百日咳毒素和长链脂肪酸，乙酸盐刺激瘦素的效应完全消除，这说明了牛血浆瘦素水平是通过挥发性脂肪酸和长链脂肪酸反向调控的［18］。当给山羊灌注丙酸盐260min，利用定量RT－PCR分析皮下和肾周脂肪组织GPR41的表达量，结果发现皮下脂肪的GPR41的mRNA上调，而肾周的GPR41的mRNA表达水平变化不显著，作者推测这可能是由于山羊皮下脂肪和肾周脂肪这两个脂肪组织对SCFA的营养敏感性不同造成的［19］。研究表明在缺血缺氧后复氧期间GPR41通过p53／Bax通路可引诱凋亡他们就认为GPR41可作为一个低氧诱导的细胞凋亡受体（HIA－R）［20］。

5.2 GPR43的生理功能

醋酸盐和丙酸盐的抗脂解作用与胰岛素非常相似，它们在脂肪细胞中抑制脂解活性。而Hong［21］报道，醋酸盐和丙酸盐在GPR43SiRNA转染的3T3－L1细胞系没有表现出抗脂解活性，这一结果显示，GPR43在脂肪细胞分化与增殖中具有重要作用，醋酸盐和丙酸盐通过GPR43抑制刺脂肪分解，刺激脂肪的形成。Hong 同时研究发现，用高脂日粮饲喂的小鼠脂肪组织中GPR43的表达量上调；用丙酸盐处理的3T3－L1脂肪细胞诱导分化过程中随着PPARγ表达量升高，GPR43表达量也逐渐升高，而用SiRNA沉默GPR43，脂肪细胞分化的进程同时被抑制；短链游离脂肪酸可通过GPR43抑制脂肪细胞中异丙肾上腺素介导的脂解作用。这些研究结果显示，GPR43在脂肪细胞的分化与增殖过程中有重要作用。另外，短链游离脂肪酸具有调节多种炎症细胞反应的功能，其特异性受体GPR43的发现，特别对嗜中性粒细胞生物效应的阐明，将大大深化人们对各种急慢性炎症反应的认识［13］，所以，揭示该受体在免疫应答调控中的分子机制，验证其作为药物作用新靶点的可能性，也可成为今后科研工作者探索的新方向。

6 GPR41和GPR43在动物肠道对营养物质吸收调控的研究进展

营养物质吸收调控的关键步骤是营养物质的感知，行使这一功能的主要是G蛋白偶联受体（GPCRS），其研究是目前生命科学最活跃的研究领域之一［22］，G蛋白偶联受体41（GPR41）和 G蛋白偶联受体43（GPR43）首先被发现存在于肠道，它们作为脂肪酸感受器可以感知来自消化腔的短链脂肪酸（包括乙酸、丙酸和丁酸）［3］。是目前已发现的仅有的2种特异性短链脂肪酸受体。GPR41基因敲除小鼠肠道食糜通过肠道时间延长，短链脂肪酸吸收减少［23］。但是，如果除去肠道细菌，则GPR41基因敲除小鼠与正常小鼠体重无差异，这说明上述调控作用是通过肠道细菌发酵产生的短链脂肪酸激发的［23］。与GPR41类似，GPR43基因敲除小鼠肠道短链脂肪酸吸收减少，采食量和能量消耗增加，体重减轻［24］。另外，丙酸可以促进豚鼠肠道GPR43的表达；而短时静脉注射丙酸，可引起山羊皮下脂肪组织GPR41mRNA 表达升高［18］，这说明 GPR41和GPR43表达受短链脂肪酸的调控。可见GPR41和GPR43可感知肠道短链脂肪酸，参与吸收调控，并且可调节机体的能量平衡状态。

关于单胃动物大肠GPR41和GPR43功能及其作用机制已有少量报道［2］。GPR41与肠道肽YY（PYY）共表达与人结肠内分泌细胞中［25］，GPR41基因敲除小鼠PYY表达量降低［23］。GPR43与肠道胰高血糖素样肽1（GLP－1）共表达，并且可介导短链脂肪酸激发的GLP－1分泌［26］。已知PYY和GLP－1是两种重要的肠道能量平衡调控激素，可见这2种短链脂肪酸受体可能是通过调控肠道激素分泌来发挥其能量调控功能。

7 展望

鉴于目前在小鼠和山羊上的研究发现短链脂肪酸受体GPR41和GPR43在调节机体内脂肪形成和在动物肠道对营养物质的吸收中具有重要作用。因此，GPR41和GPR43可能在脊椎动物发育中起着一定的作用，它可能对肉牛的生长发育起到非常重要的影响。所以我们可以把GPR41和GPR43基因作为候选基因，利用SSCP和RFLP等分子遗传标记方法来研究其在动物遗传育种上的作用。研究GPR41和GPR43基因的突变性对肉牛经济性状的影响无疑具有非常重要的理论和经济意义，以便为黄牛品种改良和选育工作提供理论依据。

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Signal Pathway and Physiological Functions of Short Chain Fatty Acid Receptor GPR41 and GPR43

WANG Yong－an，ZHANG Chun－lei，WANG Yan－hong，CHEN Hong，FANG Xing－tang＊

（Institute of Cellular and Molecular Biology，Xuzhou Normal University，Xuzhou221116，China）

Short－chain fatty acids（SCFA），as an important energy source for animals，are the key signal molecules whose physiological functions and mechanisms have drawn great attention for a long time.Many studies had shown that the GPR41and GPR43proteins were the only two receptor specificity of SCFA.They could be mediated through SCFA，through the MAPK signal pathway，in regulating the body fat formation，function of white blood cells and physiological process in the animal gut playing an important role in the absorption of nutrients.This article reviewed the structures，tissue distribution，ligand selectivity and downstream signal passage of SCFA，GPR41and GPR43as well as the latest progress of the mediated physiological functions of SCFA.

Short－chain fatty acids（SCFA）；GPR41；GPR43；signaling pathway

S813.2

A

1001－9111（2013）06－0049－05

2013－09－21

2013－10－24

由江苏省高校科研成果产业化推进工程项目（JHB2012－32）；徐州市科技计划项目（XF12C052）；国家自然科学基金（30972080，31101703）；国家现代肉牛牦牛产业技术体系专项（No.CAR－38）；江苏高校优势学科建设工程资助项目

王永安（1988－），男，江苏连云港人，在读研究生，主要研究方向：动物细胞与分子生物学。

＊通讯作者：房兴堂（1963－），男，江苏沛县人，教授，主要研究方向：动物遗传资源及利用方向。