外周5-羟色胺在胰岛素抵抗中的作用研究进展
2015-02-01李涛傅继华王天莹
李涛,傅继华*,王天莹
(1.中国药科大学药学院生理教研室,江苏 南京210009;2.中国药科大学药学院,江苏 南京211198)
外周5-羟色胺在胰岛素抵抗中的作用研究进展
李涛1,傅继华1*,王天莹2
(1.中国药科大学药学院生理教研室,江苏 南京210009;2.中国药科大学药学院,江苏 南京211198)
5-羟色胺(5-HT)作为一种神经递质在中枢神经系统中具有重要的作用,同时在外周组织系统中5-HT也发挥多种重要的生物功能,如广泛参与机体的糖脂代谢、肝再生、胃肠运动等。综述外周5-HT诱导胰岛素抵抗的作用机制研究新进展,重点介绍5-HT对胰岛素信号转导、糖脂代谢等方面的影响。
5-羟色胺;胰岛素抵抗;信号转导;糖脂代谢
5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)是一种广泛分布于中枢神经系统和外周组织器官的小分子生物活性物质,其参与调节中枢或外周系统的多项生命活动。5-HT在中枢神经系统和外周系统各有一套独立的合成系统,色氨酸羟化酶(tryptophan hydroxylase,Tph)是其合成的限速酶,Tph有Tph1和Tph2两种亚型(Tph1主要分布于外周,Tph2主要分布于中枢)[1]。5-HT在体内具有广泛的生理调节作用与其受体的多样性密切相关,目前发现5-HT受体有15种亚型[2]。在中枢神经系统中,5-HT主要参与调节睡眠、情绪、感觉、应激反应等多种相关活动[3],但5-HT在中枢神经系统的分布仅占其机体总含量的2%左右,绝大部分5-HT分布于外周系统(约98%)[4]。近年来研究发现,5-HT在调节糖脂代谢、骨生成、炎症、免疫反应、肝脏修复以及胃肠道运动方面均具有重要作用[5-9]。
胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)是指胰岛素促进细胞对葡萄糖摄取和利用的效率下降。IR是代谢综合征(metabolism syndrome,MS)和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)两个威胁人类健康重大疾病的共同病理生理学基础[10-11]。糖尿病患者血清中5-HT浓度显著高于正常人,故高浓度的5-HT可能参与糖尿病的病理过程[12-13]。体外研究表明,5-HT可诱导脂肪细胞和骨骼肌细胞产生胰岛素抵抗[14]。动物研究也表明,5-HT2类受体阻断剂可显著改善2型糖尿病大鼠的胰岛素抵抗[15]。多项研究均发现,5-HT参与了胰岛素抵抗的形成和糖、脂代谢紊乱的病理过程,对阐明2型糖尿病的发病机制具有重要意义[16-17]。本文对外周5-HT诱导胰岛素抵抗的作用机制研究进展作一综述,以期为今后的研究提供参考。
1 5-羟色胺对胰岛素信号转导的影响
胰岛素通过作用于胰岛素受体引起受体自身磷酸化,使其酪氨酸蛋白激酶活化,后者使胰岛素受体底物-1(IRS-1)的酪氨酸残基磷酸化,IRS-1被移至膜附近激活并能结合含SH2结构域的分子,如磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K);PI3K催化产生3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3),PIP3再激活磷酸依赖性蛋白激酶1(PDK1),PDK1一方面可激活蛋白激酶Cα(PKCα),激活后的PKCα可将葡萄糖转运体-4(GLUT-4)由胞质移至细胞膜上,促进了细胞对葡萄糖的摄取,另一方面在哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物2(mTORC2)的辅助下PDK1激活蛋白激酶B(PKB,别名Akt),激活后的Akt通过以下通路影响糖脂代谢:1)抑制结节性硬化复合物1/2(TSC1/2),从而激活mTORC1,后者与Akt共同激活固醇调节蛋白元件结合蛋白(SREBP1C)以促进胆固醇、脂肪酸的合成等;2)抑制叉头转录因子1(FOXO1),减少糖异生;3)抑制过氧物酶体增生物激活受体γ共激活剂-1α(PGC-1α),减少脂肪酸的β氧化和极低密度脂蛋白(VLDL)的合成;4)激活糖原合成酶激酶3(GSK3),促进糖原合成[18]。可见,IRS-1、PKCα、mTORC和Akt在胰岛素胞内信号转导中具有重要作用(见图1)。
图1 胰岛素信号通路示意图Figure 1 Schematic diagram of insulin signaling pathway
Li等[14]研究发现,5-HT可通过激活G蛋白q/11型α亚基(Gq/11)引起金属蛋白酶活化,使锚定于细胞膜上的前肝素结合性表皮生长因子(HB-EGF)脱落进入胞浆形成成熟的HB-EGF,同时上调表皮生长因子受体的活性,激活细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)-哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路,最终导致IRS-1丝氨酸磷酸化后活性降低,进而阻碍胰岛素信号转导。因此,5-HT通过Gq/11诱导激活表皮生长因子受体和HB-EGF成熟化过程,将成为治疗胰岛素抵抗的潜在靶点,但Gq/11引起金属蛋白酶活化的具体机制尚未阐明。另有研究发现,10 μmol·L-1的5-HT诱导3T3-L1(前脂肪细胞)可形成明显的胰岛素抵抗,其作用机制为5-HT激活5-HT2类受体后,引起IRS-1丝氨酸磷酸化,诱导胞浆、低密度微粒体中的IRS-1泛素化降解,进而阻断胰岛素信号的转导[19],该部分与Li等的研究结果基本一致;此外,活化的Akt可导致IRS-1的RXRXXS/T模体磷酸化,并与结合蛋白14-3-3β结合,进而阻止IRS-1的泛素化降解,而PI3K、生长因子等调节蛋白也参与了IRS-1的降解过程[20],5-HT2类受体是否通过下调PI3K、Akt的活性介导了IRS-1的降解过程尚有待研究。另有文献报道,5-HT刺激后使大鼠原代肝脏细胞内mTOR磷酸化水平上调,引起核糖体p70S6激酶(S6K)磷酸化[21],而S6K可诱导胞浆IRS-1移位至低密度微粒体上且导致IRS-1丝氨酸残基磷酸化,最终诱导IRS-1降解[19,22]。综上所述,5-HT主要通过与5-HT2类受体结合后,降低IRS-1活性,并促进IRS-1泛素化降解来抑制胞内胰岛素信号通路的转导(见图2)。
图2 5-HT 阻断胰岛素信号转导的机制Figure 2 Mechanism of blockage of insulin signaling transduction by 5-HT
2 5-羟色胺对糖、脂代谢的影响
5-HT除了直接影响胰岛素信号转导外,对肝脏、脂肪以及骨骼肌组织的糖、脂代谢也具有调节作用,而糖脂代谢变化最终会诱发或加剧细胞胰岛素抵抗。Yamada等[16]给予大鼠10 mg·kg-1的5-HT刺激后,大鼠出现明显的高血糖血症,而给予5-HT2类受体阻断剂——酮色林治疗后,血糖恢复到正常水平。Watanabe等[23]最近研究发现,给予羊注射40μg·kg-1的5-HT后,羊血清中葡萄糖浓度显著升高,但若在注射5-HT前给予5-HT1、5-HT2和5-HT7类受体阻断剂二甲麦角新碱预处理,羊血清中的葡萄糖浓度并未升高。另有研究也证实,5-HT升高血糖的作用可能由5-HT2类受体介导[15]。5-HT使循环系统中的葡萄糖浓度升高的同时,却降低了肝脏、骨骼肌和脂肪组织等一些重要外周组织器官葡萄糖的摄取能力,进一步使胰岛素的敏感性下降[24]。
5-HT在促进脂肪形成方面也具有重要的调节作用。Osawa等[21]研究发现,5-HT可加剧高脂饮食诱导的非酒精性脂肪肝大鼠肝脏脂质沉积、甘油三酯含量升高;同时,在原代肝细胞培养实验中,5-HT还可促进游离脂肪酸诱导的原代肝脏细胞脂质变性和沉积。脂质大量积累于肝脏细胞可引起胰岛素抵抗,其作用机制为:一方面形成大量游离脂肪酸并转运入血液被多种组织器官(如骨骼肌)所摄取,细胞中摄取的过量脂肪酸,通过破坏胰岛素信号转导、诱发炎症反应和内质网应激等途径引起全身性胰岛素抵抗[25-27];另一方面,形成大量脂肪滴,引起肝脏细胞纤维化和慢性炎症反应,最终加剧肝脏细胞的胰岛素抵抗[28]。Osawa等[21]进一步对5-HT引起脂质代谢异常的机制进行研究后发现,5-HT可激活mTOR磷酸化,进而激活S6K。S6K不仅作用于IRS-1,还对脂质代谢的关键蛋白具有重要调控作用[29],但5-HT激活mTOR-S6K信号通路后具体影响何种下游蛋白尚待进一步研究。Crane等[30]所在课题组最新研究发现,抑制外周5-HT的合成可增加小鼠棕色脂肪组织的产热作用,从而加剧脂肪的消耗和分解;Tph1-/-基因敲除小鼠不会形成因高脂饮食诱导的肥胖、胰岛素抵抗和非酒精性脂肪肝症状,且高脂饮食饲养的正常小鼠在给予Tph1抑制剂LP533401治疗后,可显著改善由高脂饮食诱导的上述症状;还证实5-HT影响脂肪消耗的机制与其调节线粒体解偶联蛋白1(UCP1)有关,但具体作用机制尚待深入研究。另有研究报道,小鼠注射5-HT后,在诱导小鼠血糖升高的同时,血清中胆固醇含量也显著升高,胆固醇是VLDL的主要非蛋白成分,VLDL在细胞脂质沉积和胰岛素抵抗病理过程中具有极为重要的意义[31],该研究还指出,5-HT对脂质代谢调控的作用主要通过提高胆汁酸含量实现的,但具体机制尚不明确[32]。
从上述多项研究可知,5-HT对糖、脂代谢均有明显的影响,如,升高血糖、降低GLUT对葡萄糖的摄取、增加甘油三酯和胆固醇等脂类的形成等,这些均加剧了胰岛素抵抗的形成。
3 5-HT对胰岛β细胞和肾上腺的影响
5-HT除直接影响胰岛素抵抗相关靶细胞代谢改变、胰岛素信号通路外,也对胰岛素的分泌、胰岛素β细胞的生长具有调节作用;此外,5-HT还可调节肾上腺释放肾上腺素,后者升高血糖浓度,进一步加重胰岛素抵抗。Zawalich等[33]研究发现,在胰岛β细胞给予5-HT刺激后可抑制葡萄糖诱导的胰岛素分泌作用,其作用机制与磷脂酶C的激活有关。同时,5-HT可通过5-HT2类受体调控胰岛β细胞的增生,妊娠期小鼠的催乳素可诱导胰岛β细胞中Tph1的mRNA表达增加进而促进5-HT合成,5-HT以旁分泌/自分泌的形式作用于胰岛β细胞[34],因此5-HT可能参与妊娠性糖尿病的发生。另有研究发现,大鼠注射5-HT后,血清中的肾上腺素水平显著升高,给予酮色林治疗后,肾上腺素水平恢复正常;肾上腺髓质切除术后的大鼠注射5-HT不再引起高血糖血症[16,35]。由此说明,5-HT可通过5-HT2类受体调节肾上腺分泌肾上腺素,肾上腺素升高可能与5-HT引起的胰岛素抵抗有关。
4 展望
作为一种神经递质, 5-HT在中枢神经系统的作用研究现已较为深入,而体内绝大部分5-HT分布于外周组织中,同时5-HT受体也在外周系统中广泛分布,提示5-HT在外周组织系统中可能也具有重要的生命调节功能。目前,对外周5-HT功能的研究尚处于初步阶段,前期研究主要集中于对胃肠蠕动、血管收缩等方面的影响,外周5-HT与糖、脂代谢关系的相关研究近年来才被人们所重视。2013年,5-HT诱导胰岛素抵抗的细胞模型首见报道[14]。胰岛素抵抗是2型糖尿病、代谢综合征的重要特征,因此,深入研究外周5-HT引起胰岛素抵抗的具体机制和关键节点是研究上述两种疾病发病机制的基础之一,同时开展胰岛素抵抗的新型作用靶点5-HT的研究,对相关疾病的新药研发也具有重要意义。目前该领域已取得一定的研究成果,但尚有较多研究开发空间,例如:1)5-HT对胰岛素信号转导的影响机制研究尚不完善,对GLUT4移位和胞膜活化的具体分子机制尚未研究;2)5-HT诱导肝脏细胞形成胰岛素抵抗细胞模型尚未建立,5-HT对肝脏糖原合成、糖异生、脂肪酸氧化等糖、脂代谢过程的影响有待进一步研究;3)5-HT对糖、脂代谢的影响是否具有时间、剂量相关性尚有待证实;4)目前各种因素诱导的胰岛素抵抗是否存在更关键的、共同的病理学机制还有待进一步阐明。
[参 考 文 献]
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[专家介绍] 傅继华:博士,副教授,硕士生导师。本科毕业于北京大学生命科学院。学科专业为心血管药理学,现于中国药科大学药学院从事药理学、毒理学及生理学的研究及教学工作。主要研究方向为代谢综合征的诱导因素、发病机制研究,心血管疾病与高脂血症、糖尿病的相关性研究,心血管药理研究。对“饮食与神经因素、内分泌紊乱等多因素同时刺激促进非酒精性脂肪肝发展及血脂紊乱的原理”有独特认识,发现高脂饮食与应激性刺激对代谢综合征的发生有明显的协同作用,不仅可促进脂肪肝向脂肪性肝炎的转化,还可促进胰岛素抵抗、血脂紊乱的发生,并发现了外周血清素(5-HT)在糖脂代谢过程中的关键作用。研究成果对于认识临床代谢综合征及其相关疾病—脂肪肝、高脂血症、糖尿病及心血管疾病等的发病原理、发生机制有重要意义。目前已发表研究论文40余篇,其中多篇SCI收载;以第一发明人或合作者形式完成发明专利6项,独立完成一清醒动物血压测量系统—“清醒动物无创血压测量系统”的发明、制作并实现产品销售;与企业合作,已主持完成了9个以上新药的临床前药效学或毒理学研究工作。
Research Progress in the Role of Peripheral 5- hydroxytryptamine in Insulin Resistance
LI Tao1, FU Jihua1, WANG Tianyin2(1.Department of Physiology, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, China; 2.School of Pharmaceutical Science, China Pharmaceutical University, Nanjing 211198, China)
5-hydroxytryptamine (5-HT) is a neurotransmitter with important functions in the central nervous system.Besides, it is implicated in a vast array of physiological activities in peripheral tissues including glucose and lipid metabolism, liver regeneration, gastrointestinal motility, etc.The latest research achievements on the role of peripheral 5-HT in insulin resistance (IR) were reviewed in this article, which mainly focused on the involvement of 5-HT on insulin signal transduction, glucose and lipid metabolism during IR status.
5-hydroxytryptamine; insulin resistance; signal transduction; glucose and lipid metabolism
R587 ; R966
A
1001-5094(2015)02-0113-06
接受日期:2015-01-28
项目资助:中国药科大学大学生创新训练计划项目(No.J1030830)
*通讯作者:傅继华,副教授;
研究方向: 心血管药理;
Tel:025-86185226;E-mail:jihua_fu@cpu.edu.cn