短链脂肪酸受体GPR43的研究进展

刘鸿飞 魏云林 卢磊磊 季秀玲

摘 要：短链脂肪酸受体（G protein-coupled receptor43，GPR43）属于G蛋白偶联受体c（G protein-coupled recep-lt，tors，GPCR）家族，因其与脂肪和糖代谢相关，在过去的10年中其研究日益受到重视研究表明，GPR43不仅可以通过参与调节食欲和胃肠肽的分泌来调节脂肪的分解与形成，最终与代谢性疾病如肥胖、2型糖尿病和心血管病的密切相关：而且GPR43还参与调节人身体血脂浓度和炎症发生过程，甚至还与细胞的癌变密切相关。（…lGPR43作为糖代谢、脂肪代谢的重要调节受体，已经成为一个重要的药物筛选靶点。针对GPR43受体的研究现状进行了总结并对今后的应用研究进行了展望。关键

关键词：短链脂肪酸；G 蛋白偶联受体（GPCR）；短链脂肪酸受体（GPR43）中图

分类号：Q955

文献标识码：A

文章编号：1007-7847（2014）06-0557-08

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G蛋白偶联受体（G protein-coupled reCeptors，GPCR）是一类具有7个螺旋跨膜结构的膜受体，主要介导大多数的激素和神经传导引起的细胞应答，此类受体是许多新药研发的重要靶点。绝大多数的GPCRs已去孤儿化，即找到其相应的内源性配体。游离脂肪酸受体（FFAR）是GPCRs中最大的一个家族，其配体为游离脂肪酸（free fatty acid，FFA）。根据游离脂肪酸碳链的长短，可将其分为短链脂肪酸（1～6个碳原子）、中链脂肪酸（7～12个碳原子）和长链脂肪酸（大于12个碳原子），它们在众多生理和病理过程中都是关键的信号分子，并且除作为机体结构原料以及能量来源维持能量平衡外，还可影响胃肠消化系统的各种功能。其中，短链脂肪酸（short chain fatty acids，SCFA）包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸，它们的作用涉及到影响结肠的血流量、水和电解质的摄取、通过释放5-羟色胺（5-hvdroxytryptamine，5-HT）促进结肠蠕动和离子运输、影响肠道菌群以及调节机体免疫。此外，短链脂肪酸还可作为信号分子参与调节细胞的生长、分化、分泌和迁移，在机体营养调控和健康维持方而都有着重要作用。GPCRs也是现代医学研究最多的治疗靶标之一，据估计约有半数现代药物都是以这些受体为靶标，全球年度交易额达500亿美元。

1 GPR43与GPR41是重要的短链脂肪酸受体

GPR43（G protein-coupled receptor 43）存在：于脂肪组织、免疫细胞、肠胃环境等不同组织和细胞中，它能被短链脂肪酸激活，根据其内源性配体也被称为FFAR2。SCFA主要是由小肠厌氧细菌在对淀粉和难消化纤维的发酵过程中产生。SCFA是哺乳动物主要的能量来源，可为反刍动物和非反刍动物提供70%和5%～IO%的能量。而各种短链脂肪酸对GPR43活性的强弱顺序依次为：丙酸（C3）≥乙酸（C2）=丁酸（C4）>戊酸（C5）>己酸（C6）-甲酸（C1）；此外，这些脂肪酸也作用于同一家族的另一个受体GPR41，顺序则为：戊酸（C51-丙酸（C3）-丁酸（C4》乙酸（C2）>甲酸（Cl）。这一规律可用于区分GPR41和GPR43，两受体间的氨基酸同源性仅为43%。这两个受体都能偶联Gi/o诱导或抑制腺苷酸环化酶通路，但只有GPR43能偶联Gq诱导磷脂酶C通路的激活，增加细胞内钙离子水平。

GPR41和GPR43有重叠的配体，又共享部分信号通路，所以存在相互干扰的现象。GPR41在病理生理学中的功能已有较多报道，在此将不予讨论。我们将主要阐述GPR43的研究进展。

2 GPR43和脂代谢

GPR43主要在小鼠白色脂肪组织（white adi-pose tissue， WAT）中表达，在脂肪细胞中的表达水平要比血管荩质细胞中高，在喂食高脂肪（HF）食物后小鼠的脂肪组织中GPR43过表达。在3T3-L1前脂肪细胞分化过程中和过氧化物酶体增殖物受体γ （peroxisome proliferator-activated recep-torg，PPARGγ）激活时，GPR43表达量均会增加。此外，乙酸和丙酸均能使已分化的细胞积累更多的脂肪，丙酸还能诱导GPR43和PPARγ在分化过程中过表达。通过RNA干扰技术证明，在3T3-L1细胞中随着GPR43表达的抑制，PPAR-γ2和aP2的表达也会降低，最终导致细胞中脂肪的积累增加。因此GPR43及其配体在脂肪的合成中具有重要的作用。

在已分化的脂肪细胞中，乙酸和内酸均能抑制脂肪的分解。但经GPR43 siRNA抑制或经基因敲除GPR43的小鼠脂肪细胞却不能对丙酸和乙酸的刺激作出应答，该结果表明GPR43的激活可直接抑制脂肪的降解。此外，分别对野生型和GPR43缺陷型小鼠注射乙酸，结果野生型小鼠血浆中游离脂肪酸含量明显减少，而缺陷型小鼠则没有变化，明确了乙酸是通过激活CPR43而在体内发挥抗脂肪降解作用。

喂食高脂饲料会导致小鼠皮下脂肪组织（subcutaneous adipose tissue， SAT）中GPR43过度表达，同时还导致几个PPARγ靶基因的过度表达，从而证明高脂肪饮食可诱导激活PPARγ。有趣的是，通过补充菊粉类果聚糖（inulintype fructans，ITF）益生素就能减少脂肪细胞的大小和其中的脂肪量，同时CPR43和PPARγ靶基因的表达也会下调。而ITF益生素对PPARγ活性的抑制作用应该是通过肠道菌群来调节的，这一发现可能有助于用来减肥。为了阐明PPARγ的激活和GPR43表达间的关系，研究人员用不同活性PPARγ的调节剂对小鼠皮下脂肪中培育出的外植体进行了实验，研究表明PPARγ激动剂均可导致GPR43和aP2（结合蛋白）的过表达，而PPARγ拮抗剂的作用则正好相反。

Bjursell利用GPR43基因敲除小鼠研究了高脂饲料对能量、葡萄糖和脂质代谢的影响。研究证明在经过25—30周的高脂饮食后.GPR43基因缺失的小鼠表现出体重和脂肪量减少，而食物摄入量反而增加。在这些小鼠的白色脂肪组织中葡萄糖的摄入受到控制，小鼠的血脂、甘油三酯以及巨噬细胞含量均有所减少。遗憾的是这些现象也许并不会在人类身上发生。研究表明，人的PPARγ激动剂也不会影响GPR43在人类前脂肪细胞中的表达，虽然结合蛋白（aP2）的表达会显著增加。而且鼠GPR43的激动剂（乙酸、丙酸、苯基乙酰胺衍生物）也无法诱导人的前体脂肪细胞分化。在比较了肥胖患者和正常对象后，发现二者的GPR43表达量是相似的，并且与aP2的表达无关。但在研究中却发现人的GPR43表达程度与肿瘤坏死因子α的表达呈正相关。

短链脂肪酸能刺激小鼠白色脂肪细胞分泌瘦素（一种抑制食欲的激素），一些研究表明GPR41可以调节这一作用，但另一些研究认为这个作用实际址受GR43的调控。对于这样一些观点，仍需进一步开发特异性更好的药理学模型来进行验证。

3 GPR43和肠道功能

短链脂肪主要由在肠道中的细菌发酵而来，不仅可以在肠道内（如丁酸）被其他器官作为营养物质吸收和利用，同时它们还能调节胃肠道对脂肪的代谢。GPR43在整个肠道的细胞中均有表达，一些研究表明某些短链脂肪酸的作用主要依赖与GPR43的结合。酪酪肽（peptide YY，PYY）可由短链脂肪酸诱导后在血液中释放，它在肠道内的分泌能够抑制上胃肠道的蠕动。因此，短链脂肪酸能通过激活GPR43来刺激L细胞释放PYY，从而减弱肠胃运动，在人类结肠分泌L细胞中也发现有GPR43的表达。Karakiet提出短链脂肪酸能激活肥大细胞中的GPR43来释放5-羟色胺（5-HT），从而对结肠的蠕动和分泌发挥作用。GPR43在整个人鼠的肠胃道中都有表达，在食道和胃中的表达水半最低，在结肠中最高。

胰高血糖素样肽l （glucagon -likepeptidel，GLP-1）也是肠内分泌刑L细胞释放的胃肠激素，能控制肠功能和葡萄糖代谢。给人和动物注射SCFA可导致血浆中GLP-1的释放，研究表明人和大鼠的GPR43和GLP-1存在共定位现象。在啮齿炎动物中，补充发酵的碳水化合物能增加GLP-I的分泌和近端结肠GPR43/GLP-1阳性细胞的密度。膳食纤维经细菌发酵后，结肠能产生更多的短链脂肪酸，从而通过激活细胞中的GPR43来增加GLP-l内分泌。这个结论近期已被Tolhurst等利用GPR43基因敲除的小鼠实验所证实。

在无菌小鼠上的实验表明肠道微生物菌群的组成与肠道自由脂肪酸受体的表达量有关，无菌小鼠肥胖增加与GPR41和GPR43在远端小肠的表达降低相对应。与常规小鼠相比，肥胖的无菌小鼠肠道中GPR43、CPR41的表达量，以及PYY和GLP-1的含量都明显降低，其中GPR43和GPR41的表达量分别减少了10%和70%。

Kimura等证明CPR43缺失的小鼠在正常饮食条件下会肥胖，而埘于GPR43过表达的小鼠，即使喂食高脂肪的食物电不会发生肥胖。在脂肪细胞中短链脂肪酸可诱导激活GPR43，从而抑制脂肪的积累，而对于其他组织，则可抑制能促进脂质和葡萄糖代谢的胰岛素的分泌。所有这些研究都汪明GPR43是一个膳食过剩的能量传感器，可以控制身体能量的利用率，使代谢环境保持稳定。

总之，这些小鼠肠道的实验已经表明肠道微生物菌群可通过影响肠道内短链脂肪酸受体的表达和肠肽的分泌来调节脂肪的代谢，但因人的肠道微生物差异很大，其机制的闸叫尚前进一步的研究。

4 GPR43和炎症

短链脂肪酸也能参与调节促炎和抗炎介质的产生。例如，短链脂肪酸能诱导前列腺素E2的产生，而且这个过程可以被百日咳下毒素抑制，表明该过程有G蛋白介导的信号系统的参与。

Maslowskiet等证明子由乙酸激活GPR43后引起结肠炎的相关炎症应答。在急性和慢性肠炎、关节炎和哮喘病例中，GPR43基因敲除小鼠无法消除炎症，甚至还会不断加重。这可能与免疫细胞的聚积有关。Sina等报道，在GPR43基因敲除的小鼠急性结肠炎模型中，虽然免疫应答较弱，炎症反应较轻，但是其死亡率更高。而在慢性结肠炎模型中，GPR43的缺失导致结肠炎症减轻，却没有任何败血症和致死征兆。因此肠道免疫细胞具有双向调节作用，对急性细菌入侵有很好的保护作用，但对慢性炎症的淌除却不利。

研究还发现GPR43在中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和单核细胞中高表达，这些免疫细胞在各种炎症性疾病的病理生理机制中均J非常重要。在小鼠中已证明经短链脂肪酸诱导激活的GPR43参与了中性粒细胞的趋化作用。但其机制仍不清楚。而比利时GalapagoS公司的GLPG0974 口服小分子CPR43抑制剂被发现可以抑制中性粒细胞的迁移，这一结果也间接证明了GPR43能参与中性粒细胞的趋化作用。当抵抗炎症时，矩链脂肪酸通过激活GPR43来补充中性粒细胞，这种作用特别有助于阐明GPR43和SCFA调节炎症的机制。 多项研究的结果显示，不同类型的免疫细胞对同一短链脂肪酸能产生不同的分子免疫应答。这可能与这些细胞在炎症反应中所担负的作用一致。因此，GPR43不同的下游分子通路仍值得进一步研究。

在结肠炎、肥胖、糖尿病、白血病等小鼠模型中，喂食ITF益生元后均能够控制炎症的发生。人们推测这种益牛元应该是通过对GPR43的抑制来发挥抗炎作用的，但这样的结论还有待更多的实验来证实。

5 GPR43和肌肉代谢

GPR43可以通过调节机体的炎症反应、胃肠肽的释放和脂肪的合成与分解来调节骨骼肌和心肌的代谢功能。有证据支持PYY、GLP-1、5-HT的增加，可增强对胰岛素的敏感性、肌肉对葡萄糖的摄取和脂肪酸的氧化。已知细胞脂肪代谢调节因子，如瘦素、脂联素能促进胰岛细胞对胰岛素的敏感性，也能促进这些组织中脂肪酸的氧化分解。在肥胖的糖尿病小鼠模型中，脂联素的使用可以减缓心肌肥大倾向，还能提高其肌细胞的收缩能力。但在这些过程中GPR43是如何起作用的，尚有待进一步的研究。图1总结了GPR43可能直接或间接地调节这些组织营养代谢的机制。

6 GPR43和癌症

已有研究表明肠道菌群对结肠癌的发生和发展过程均有影响。肠道菌群发酵产生的如丁酸和其他短链脂肪酸能够影响细胞周期，抑制细胞的增殖，诱导分化和细胞死亡。Hatanaka等发现在致瘤裸鼠NIH3T3细胞中GPR43过表达，因此他们提出GPR43可能是一个致癌基因，在胃癌和大肠癌中也发现类似的结果。相反，Tang等则认为CPR43是一种肿瘤抑制基因，因为在人的结肠癌样本细胞系中GPR43的表达没有增加反而是减少了，并且在结肠癌细胞系中重新导入GPR43后会使癌细胞凋亡或使细胞周期停滞，在他们所建立的人类结肠癌细胞系中，只有九分之一的细胞系检测到GPR43的转录。在经GPR43转染的结肠癌细胞系HCT8中，由丙酸和丁酸引起的抗肿瘤细胞增殖作用则更显著。

Bindels最近的证据表明，短链脂肪酸通过激活GPR43来抗癌细胞增殖的作用并不仅仅限于胃肠道细胞。经ITF益牛元处理的白血病小鼠，在乙酸和丁酸水平不变的情况下，伴随着门静脉中丙酸水平的增加，白血病细胞的增殖会受到抑制。此外，由苯乙酰胺衍生物激活GPR43后也能抑制人和小鼠白血病细胞的增殖。在体外实验中，丙酸可以通过调节cAMP水平来抑制白血病细胞的增殖，该过程显然涉及到G蛋白偶联受体途径。但是GPR43在其他癌症中的表达水平尚有待研究。

7 GPR43作为药物筛选新靶点的挑战

短链脂肪酸能通过不同的信号通路发挥各项功能。无论是开发和研究GPR43的激动剂还是拮抗剂都需要阐明短链脂肪酸结合GPR43后的激活和调节机理。但目前GPR43作为一个重要的受体其药理学研究尚存在以下缺陷：第一，短链脂肪酸效能低下，反应浓度甚至需达到毫摩尔数量级；第二，因为小鼠GPR41的表达也会干扰GPR43的效应，因此即使采用GPR43基因敲除小鼠也可能无法建立理想的动物模型，这种现状给以GPR43作为靶点的新药筛选带来了挑战。

从内源性和人工合成配体中筛选CPR43高特异性调节剂，需要同时比较这些配体与GPR43和GPR4l结合的特异性。通过对hCPR43和hGPR41的比较表明，两个受体中的两个精氨酸和一个组氨酸为重要的配体识别位点。hGPR41和hG-PR43与内源性配体结合位点的选择主要由3个氨基酸（El66、L183和C184）所决定，这一发现已经被用于开发小羟基酸与受体结合的构效关分析。

Schmidt等研究了包含额外支链、不饱和环状尾的小羧酸作为配体的可能，研究证明SP或SP2杂化的α碳化合物优先激活hGPR43，而SP3杂化的α碳化合物则选择性地优先结合hCPR41。这些小分子化合物比内酸和乙酸具有更好的选择性（表1），但活力并不高，还有待进一步改进。

Lee等通过高通量筛选技术鉴定出苯乙酰胺1和2是GPR43的有效合成配体，二者都对GPR43具有选择特异性，可通过Gαi途径抑制脂肪在脂肪细胞巾的降解。GPR43还可以通过监控肠道膳食纤维代谢，调节食欲，以及SCFA对瘦素分泌的调节作用来参与机体能量与体重的调节，同时还是肠道炎症状态下招募嗜中性粒细胞所必需的，因此可作为筛选和开发调节机体代谢紊乱新药的标靶。这些人工合成的内源性配体都具有不重叠的结合位点。两年后，该团队报告了一系列基于这两个重要分了的GPR43激动剂及最优化的药代动力学特性（表1）。 重要的是，这些人工合成的内源性配体也许采用了不同的途经来激活细胞内的信号通路。这些苯乙酰胺衍生物同样作用于Gαi-cAMP和Gαq-PLC途径，而丙酸和乙酸则主要对Gαi-cAMP起作用，其强度比Gαq-PLC途径有效。最近，比利时Euroscreen公司已经申报了一系列有关GPR43激动剂化全物的专利，引起了人们的关注（表1）。

只能由内源性配体激活的重组受体（receptoractivated solely by synthetic ligands，RASSL）为这类受体功能的研究提供了一个非常好的工具。而RASSL的转基因动物则更有利于对GPR43在活体内作用机制进行研。但作为潜在的新药化合物，这些GPR43调节剂或激动剂在效率、亲和力和药代动力学特性方面都还远远达不到新药的要求，仍需要进一步的改善，它们的安全性也还需要进一步的检测。

8 结论

已有越来越多的研究表明GPR43参与了调节肥胖、肠胃活动、肌肉代谢、炎症甚至癌症的发生和发展过程，具有成为上述疾病药物开发的重要靶点的极大潜力。但遗憾的是，对GPR43的研究远远还不够，尤其人体内数据较为匮乏，而且一些已有的结果又与其他的动物实验结果有所矛盾。因此对 GPR43功能的研究仍然任重而道远。

同前我们绝大部分关于GPR43的认识是通过基因敲除小鼠的实验来获得的。但在这样的动物模犁也会受到其他一些短链脂肪酸受体如GPR41的影响，因此在采用这种模型作结论时必须谨慎。此外，调节剂的选择特异性也必须进一步提高，防止作用于其他受体，影响结果，甚至可能对人体有害。因此，进一步开发新的药理学研究工具，对于确定GPR43的性质和功能至关重要。

肠道菌群会对宿主的代谢和免疫产生很大影响，GPR43作为肠源性代谢产物受体，这一发现对解释这些相互作用提供了可能。事实上一些制药公司已经开始了GPR43靶向药物的研发，包括美因Amgen公司的变构激动剂，比利时Euro-screen公司的内源性激动剂和抑制剂，比利时Galapogos公司的小分子抑制剂。其中比利时GaJapogos公司末公开结构的专利GLPG0974已进入临床I期研究。但是，对于采用何种调节方式最有益于治疗这一问题目前仍有争议。此外，GPR43的激动剂或调节剂的生物安全性也没能完全确认，所以短时间内投入大量的资金和人员可能仔在着较高的风险。