鞘氨醇激酶——运动改善胰岛素抵抗的新靶点

王倩 傅力天津医科大学基础医学院生理学与病理生理学系（天津300070）

鞘氨醇激酶
——运动改善胰岛素抵抗的新靶点

王倩 傅力
天津医科大学基础医学院生理学与病理生理学系（天津300070）

随着生活水平的日益提高，肥胖、2型糖尿病（Type 2 Diabetes Mellitus，T2DM）等代谢性疾病发病率逐年上升，胰岛素抵抗（Insulin Resistance，IR）是诸多代谢性疾病的共同病理生理基础。运动通过提高机体外周组织代谢水平而显著改善IR已被广泛应用于代谢性疾病的防治。近年来，鞘氨醇激酶（Sphingosine kinases，SK）作为机体脂代谢的重要调控蛋白受到了广泛关注，其催化鞘氨醇（Sphingosine）合成鞘氨醇-1-磷酸（Sphingosine-1-Phosphate，S1P），SK及其S1P在运动调控机体脂代谢从而改善IR的过程中发挥举足轻重的作用。本文对近年来有关SK及其催化产物S1P在运动改善机体IR过程中的作用研究加以综述，为揭示运动防治IR机制提供新的研究靶点。

鞘氨醇激酶；运动；胰岛素抵抗

鞘氨醇是构成细胞膜主要成分——鞘磷脂的衍生物，SK广泛表达于哺乳动物组织中，具有催化合成S1P的作用。S1P是一种具有广泛生物学功能的溶血磷脂，在机体代谢过程中发挥重要作用。IR是众多代谢性疾病的生理基础，运动通过增加组织细胞能量代谢可显著改善机体组织IR症状。最新研究表明，SK对机体组织胰岛素敏感性的调节起着重要作用[1]，SK及S1P在运动改善IR中具有重要意义，为IR的临床防治提供新的治疗靶点和思路。

1 SK及S1P概况

SK是调控细胞脂代谢的重要激酶，对维持细胞S1P、鞘氨醇以及神经酰胺的动态平衡具有重要作用。研究表明，SK在心血管系统、中枢神经系统等多个系统中发挥重要作用，同时在肿瘤、炎症反应及糖尿病等多种疾病的发病过程中也发挥作用[2]。在哺乳动物中发现SK以两种亚型形式存在：SK1和SK2，但是二者的表达部位有所不同。SK1在肺、脾、肾和血液中呈现高表达，在骨骼肌细胞也有所表达；而SK2主要在肝、肾和心脏中表达[3]。除此之外，SK1和SK2两者在生化特点以及生理功能方面也存在差异。研究已经证实，SK1 和SK2在蛋白结构上均包括5个保守区域（C1-C5），其中在C1-C3区域内形成催化区域，而C2则是ATP结合区域[4]。研究表明，SK1/2都可以以多种剪接体的形式表达，虽然各种剪接体之间具体的功能性差异尚未完全明了，但是通常最短的剪接体被用作研究（SK1a，NM-001142601/SK2a，AF245447），其中SK1a的长度为384个氨基酸，SK2a为654个氨基酸长度[3]。

高脂饮食诱导产生的小鼠IR模型中甘油二酯（Di⁃acylglycerol，DAG）和甘油三酯（Triacylglycerols，TAG）均显著增加，是机体组织脂质代谢紊乱的标志，而与之相伴的是组织SK表达的减少，提示SK在DAG和TAG的代谢中发挥调节作用，但其中的调节机制尚不完全清楚。细胞内神经酰胺的积聚会阻滞胰岛素信号通路，进而导致IR的发生，而SK正是对细胞内神经酰胺的清除发挥重要作用[5]。神经酰胺是重要的脂质信号分子，通过阻滞胰岛素对信号通路中蛋白激酶B（Pro⁃tein Kinase B，PKB）的作用，抑或通过c-jun氨基末端激酶（c-jun amino terminal kinase，JNK）信号通路的激活进而引起IR的发生[6]。另外，通过抑制神经酰胺以及鞘氨醇的从头合成使二者的表达减少对阻止IR的发展具有重要作用[6]。这个发现也进一步佐证了神经酰胺和鞘氨醇对IR的发展具有促进作用这一假说，而在神经酰胺和鞘氨醇代谢中最为重要的两种酶当属神经酰胺酶（Ceramidase）和SK，神经酰胺酶催化神经酰胺形成鞘氨醇，SK进一步磷酸化鞘氨醇形成S1P这一具有多种生物学活性的物质[7]。

SK表达于多种组织细胞类型中，在受到多种胞外刺激的情况下维持SK-S1P动态平衡。SK1通常分布于胞浆中，以依赖于钙-整合素结合蛋白1（Calcium and integrin-binding protein 1，CIB1）的方式转位到细胞膜上[8]。除此之外，SK1还可以通过依赖Ca2+的细胞外信号调控激酶（Extracellular signal-regulated kinases，ERK1/2）途径激活[9]；而SK2主要分布在细胞核中，在蛋白激酶D（Protein Kinase D，PKD）的作用下完成出核，在胞浆中磷酸化鞘氨醇形成S1P。SK2除了分布于细胞核中，在内质网以及线粒体中均有所分布[10]。

SK以依赖ATP的方式合成具有多种生物活性的S1P，S1P同样在机体中发挥广泛的生物学作用，包括调控细胞膜的渗透性、参与血管生成、免疫细胞的迁移以及维持血屏障的完整性和血管紧张度等，同时是细胞内重要的第2信使[11]。S1P有5个特异的G蛋白偶联受体（S1P1～S1P5），与它们相互作用进而激活多个下游信号通路，通过转运蛋白的作用随其受体从细胞释放进入血液循环到达多个靶位置。细胞内具有多个S1P的靶蛋白，包括组蛋白去乙酰化酶（HDAC）、过氧化物酶增殖物激活受体γ（Peroxisome proliferator-activated re⁃ceptor γ，PPARγ）和人类的端粒反转录酶（tHERT）等[12]。S1P和神经酰胺具有相反的生物学功能，S1P具有增殖、迁移、维持细胞生存的作用，而神经酰胺则促进细胞凋亡、衰老以及生长阻滞。因此，有人建议将S1P-神经酰胺比作细胞内的鞘脂“变阻器”[13]，尽管该“变阻器”与各种代谢性疾病的关联尚未完全清楚，但其显然在调控机体胰岛素功能方面具有重要作用。

2 SK在有氧运动改善IR中的作用

IR是肥胖以及T2DM等众多代谢性疾病的病理生理基础，其致病机理得到了广泛研究，但是具体的分子机制尚不清楚，而肝脏和骨骼肌组织中游离脂肪酸（Free Fatty Acid，FFA）的代谢障碍和脂质堆积在IR致病过程中发挥主要作用这一观点已被广泛认可。SK的作用底物鞘氨醇在细胞浆内堆积会导致TAG表达水平的提高，而TAG的增加被认为是脂肪酸代谢紊乱的标志。骨骼肌以及肝脏组织中神经酰胺的积聚可以阻滞细胞胰岛素信号通路，降低组织细胞对胰岛素的敏感性，是诱发IR的重要因素之一[14]。研究已证实，鞘磷脂、TAG和神经酰胺的积累与肥胖和T2DM共同的病理生理基础IR相关。研究表明，饲喂高脂饲料的小鼠肝脏中SK1 mRNA表达水平较喂饲正常饲料的小鼠降低了50%，然而SK2mRNA的表达却无显著性差异[15]。同时，在肝细胞中过表达SK1会导致甘油三酯表达水平比正常细胞降低50%。与正常小鼠相比，喂饲高脂饲料的SK1转基因小鼠的IR症状并没有得到改善，这是由于甘油二酯的堆积也是诱发IR发生的因素，而SK1的过表达对肥胖小鼠骨骼肌组织甘油二酯的清除并无显著作用[15]。

与正常小鼠相比，高水平表达SK1的小鼠骨骼肌组织中S1P的表达只会轻度增加，而低水平表达SK1的小鼠骨骼肌细胞S1P的表达几乎与正常小鼠没有差异。除此之外，SK1显性负突变形式的过表达会显著促进棕榈酸诱导的细胞凋亡[15]。在高脂饮食诱导的IR小鼠模型中，过表达野生型SK1会导致骨骼肌组织中SK1表达水平的升高，从而使胰岛素敏感性提高，伴随而来的是神经酰胺的减少，而神经酰胺已被证实可诱导机体IR的发生[6]。鞘氨醇代谢中重要的两种酶——神经酰胺酶和SK在运动后的表达情况尚未得到证实，但是研究表明，有氧运动会减少骨骼肌组织中神经酰胺的表达水平，急性运动会显著增加血清神经酰胺的含量，恢复期回复到正常水平[16]。研究表明，在过表达SK1的骨骼肌细胞中，AKT-丝氨酸473位点的磷酸化形式会明显增加，提示SK1可以显著提高胰岛素敏感性，改善IR症状。由于SK1的上游是与Ca2+释放相关的CIB-1，所以推测运动可能会通过SK1从而改善IR。

作为SK1的同源物，SK2能够促进肝脏组织脂肪酸氧化基因表达水平上调，从而导致脂肪酸氧化增加，进而减少肝脏组织中脂滴的堆积[1]。但是，研究表明，SK2的药理抑制剂并不能改变脂肪酸的代谢，提示SK2在调控脂代谢中可能存在代偿机制[1]。SK2在IR研究中多和内质网应激（Endoplasmic Reticulum stress，ER Stress）联系在一起，众所周知，内质网是细胞内合成脂质和蛋白质的重要细胞器，是蛋白折叠以及保证蛋白质正确分选的关键，但是内质网功能的紊乱导致不正确折叠蛋白质在细胞内的堆积，细胞即会启动对非正确折叠蛋白质的应答（Unfolded Protein Response，UPR），从而引起ER Stress，ER Stress也是诱发IR的关键[17]。研究表明，高脂饮食诱导的IR小鼠模型中，SK2在骨骼肌以及肝脏组织中的表达均下降，与此伴随的是UPR标记蛋白sXBP1表达显著增加，但是UPR的另一标记蛋白ATF4的表达却表现为下降[16]，其中的机制尚不清楚。与野生型小鼠相比，通过尾静脉注射SK2造成的过表达SK2小鼠模型中，骨骼肌细胞AKT-丝氨酸473位点的磷酸化水平显著增加，但AKT总蛋白表达水平并无显著改变，同时AKT上游胰岛素受体底物（Insulin Receptor Substrate，IRS）磷酸化水平并未受到影响，提示SK2可能直接作用于AKT从而影响细胞胰岛素信号通路。SK2上游是有氧运动所激活的蛋白激酶D（Protein Kinase D，PKD）[9]，因此，推测有氧运动可显著增加骨骼肌组织SK2的表达水平。

3 S1P在运动改善IR中的作用

循环血液中含有多种脂质及其衍生物，过高水平的脂质及其衍生物随血液循环于全身并在骨骼肌、肝脏、脂肪组织中蓄积，从而诱发机体IR的发生。而S1P作为这些脂质及其衍生物的下游产物，对于减少机体组织脂质堆积、改善组织细胞IR具有重要作用[18]。研究证实，有氧运动能够显著增加骨骼肌细胞S1P的释放。细胞外的S1P可作用于骨骼肌细胞，激活其卫星细胞，进而刺激成肌细胞的分化。在骨骼肌细胞受损的情况下，S1P具有促进细胞修复的功能，在骨骼肌细胞应对运动等刺激时S1P维持其正常生理功能，并对骨骼肌细胞发挥营养作用，另外它也可以影响骨骼肌收缩-舒张偶联作用从而缓解肌肉疲劳[19]。人群试验表明，有氧运动能够增加受试者血清S1P的表达水平，受试对象进行60分钟65%最大摄氧量（VO2max）的运动后，血清中S1P的含量较安静状态下增加了40%，这种增加作用一直持续到运动结束后30分钟，而在运动结束后24小时，血清S1P水平恢复到安静状态水平[20]。抗阻运动也能够提高血清以及骨骼肌组织中S1P的表达水平；而力竭运动后，S1P含量增加的同时却也伴随着鞘氨醇表达水平的提高，其中的机制尚不清楚，推测可能与运动强度及运动时间有关。已有研究证实，骨骼肌组织中S1P的表达水平与运动时间和运动强度成正比，而血浆中S1P的表达水平仅在大强度（85%～90%VO2max）运动后出现增加趋势[21]。

4 总结和展望

SK作为机体脂代谢过程中重要的调节酶，能够降低神经酰胺、TAG等脂质表达水平，在有氧运动改善IR中发挥重要作用，其产物S1P更是机体组织细胞中重要的“第二信使”，通过和5个G蛋白偶联受体结合，激活下游多个信号通路，对细胞增殖、分化、迁移以及维持细胞生存发挥重要作用，在改善组织细胞IR过程中亦发挥重要作用，可能是临床治疗IR的又一新靶点。但目前国内外关于SK及其催化产物S1P在运动改善机体IR过程中的调节机制尚未明了，需要对此进行深入的研究。

[1] Lee SY，Hong IK，Kim BR，et al.Activation of sphingosine ki⁃nase 2 by endoplasmic reticulum stress ameliorates hepaticste⁃atosis and insulin resistance in mice.Hepatology，2015，62 （1）：135-146.

[2] Pyne S，Adams DR，Pyne NJ.Sphingosine-1-phosphate and sphingosine kinases in health and disease：Recent advances. Prog Lipid Res，2016，62：93-106.

[3] Billich A，Bornancin F，Devay P，et al.Phosphorylation of the immunomodulatory drug FTY720 by sphingosine kinases.J Biol Chem，2003，278（48）：47408-47415.

[4] Pitson SM，Moretti PA，Zebol JR，et al.The nucleotide-bind⁃ing site of human sphingosine kinase 1.J Biol Chem，2002，277（51）：49545-49553.

[5] Kowalski GM，Kloehn J，Burch ML，et al.Overexpression of sphingosine kinase 1 in liver reduces triglyceride content in mice fed a low but not high-fat diet.Biochim Biophys Acta，2015，1851（2）：210-219.

[6] Bruce CR，Risis S，Babb JR，et al.Overexpression of sphingo⁃sine kinase 1 prevents ceramide accumulation and amelio⁃ rates muscle insulin resistance in high-fat diet-fed mice.Dia⁃betes，2012，61（12）：3148-3155.

[7] Hannun YA，Obeid LM.Principles of bioactive lipid signal⁃ling：lessons from sphingolipids.Nat Rev Mol Cell Bio，2008，9（2）：139-150.

[8] Jarman KE，Moretti PA，Zebol JR，et al.Translocation of sphingosine kinase 1 to the plasma membrane is mediated by calcium-and integrin-binding protein 1.J Biol Chem，2010，285（1）：483-492.

[9] Hait NC，Bellamy A，Milstien S，et al.Sphingosine kinase type 2 activation by ERK-mediated phosphorylation.J Biol Chem，2007，282（16）：12058-12065.

[10] Ding G，Sonoda H，Yu H，et al.Protein kinase D-mediated phosphorylation and nuclear export of sphingosine kinase 2.J Biol Chem，2007，282（37）：27493-27502.

[11] Blaho VA，Hla T.An update on the biology of sphingosine 1-phosphate receptors.J Lipid Res，2014，55（8）：1596-1608.

[12] Panneer Selvam S，De Palma RM，Oaks JJ，et al.Binding of the sphingolipid S1P to hTERT stabilizes telomerase at the nu⁃clear periphery by allosterically mimicking protein phosphory⁃lation.Sci Signal，2015，8（381）：ra58.

[13] Cuvillier O，Pirianov G，Kleuser B，et al.Suppression of ce⁃ramide-mediated programmed cell death by sphingosine-1-phosphate.Nature，1996，381（6585）：800-803.

[14] Mikłosz A，Łukaszuk B，Baranowski M，et al.Effects of inhibi⁃tion of serine palmitoyltransferase（SPT）and sphingosine ki⁃nase 1（SphK1）on palmitate induced insulin resistance in L6 myotubes.PLoS One，2013，8（12）：e85547.

[15] Kowalski GM，Kloehn J，Burch ML，et al.Overexpression of sphingosine kinase 1 in liver reduces triglyceride content in mice fed a low but not high-fat diet.Biochimica et Biophysica Acta，2015，1851（2）：210-219.

[16] Bergman BC，Brozinick JT，Strauss A，et al.Serum sphingolip⁃ids：relationships to insulin sensitivity and changes with exer⁃cise in humans.Am J Physiol Endocrinol Metab，2015，309 （4）：E398-E408.

[17] Schroder M，Kaufman RJ.The mammalian unfolded protein response.Annu Rev Biochem，2005，74：739-789.

[18] Summers SA.Sphingolipids and insulin resistance：the five Ws.Curr Opin Lipid，2010，21（2）：128-135.

[19] Blachnio-Zabielska A，Baranowski M，Zabielski P，et al.Ef⁃fect of exercise duration on the key pathways of ceramide me⁃tabolism in rat skeletal muscles.J Cell Biochem，2008，105 （3）：776-784.

[20] Baranowski M，Charmas M，Długołe B，et al.Exercise increas⁃es plasma levels of sphingoid base-1-phosphates in humans. Acta Physiol，2011，203（3）：373-380.

[21] Baranowski M，Błachnio-Zabielska AU，Charmas M，et al.Exer⁃cise increases sphingoid base-1-phosphate levels in human blood and skeletal muscle in a time-and intensity-dependent manner.EurJApplPhysiol，2015，115（5）：993-1003.

2016.06.04

国家自然科学基金面上项目（31571220，31671237）资助

傅力，Email：lifu@tmu.edu.cn