脂肪因子Apelin的生物学功能及调节机制

何　莉,杨永青,刘美娟

(山西师范大学生命科学学院,山西临汾 041000)



专论与讲座

脂肪因子Apelin的生物学功能及调节机制

何莉,杨永青*,刘美娟

(山西师范大学生命科学学院,山西临汾 041000)

摘要：Apelin是G蛋白偶联的受体血管紧张素Ⅱ受体样蛋白-J(APJ)的天然配体。过去的研究表明，Apelin在心血管系统、神经系统及免疫系统等方面发挥重要的作用，包括调控中枢神经信号传导、诱导血管生成、参与免疫应答的调节等。近年来Apelin被确定为一种新型的脂肪细胞因子，可增加整体能量的消耗、提高胰岛素的敏感性从而抑制胰岛素抵抗的发生，与肥胖及其相关疾病胰岛素抵抗有重要关联。目前关于Apelin调控机制的研究有抑制脂肪生成和抑制脂肪分解两种不同的报道，有待于进一步探讨研究。现就Apelin的结构、生理功能及其对脂肪代谢的调控机制进行简要综述，并对今后在研究和应用方面做了展望。

关键词：Apelin；脂肪因子；脂肪生成；脂肪分解

脂肪组织不仅可以储存能量，而且可以分泌Apelin、肿瘤坏死因子α(TNF-α)、瘦素(Leptin)、白细胞介素-6(IL-6)等脂肪因子。它们通过自分泌、旁分泌的方式调控脂肪代谢和脂肪细胞的分化，参与肥胖及其相关疾病的病理过程，因此对这些脂肪因子的作用、调控机制的研究显得尤为重要。Apelin是1998年首先在牛胃中提取出的一种新的生物活性肽[1]，Apelin于2005年在人和鼠的脂肪细胞中被发现，从而将Apelin确认为一种新型的脂肪因子[2]。Apelin在肥胖、心血管疾病、胰岛素抵抗等方面有重要作用，逐渐成为脂肪因子研究中的一个新的热点。

1Apelin及其受体APJ概述

Apelin是G蛋白偶联的受体血管紧张素Ⅱ受体样蛋白-J(APJ)的天然配体。G蛋白偶联受体( G protein-coupled receptors,GPCRs )是膜蛋白受体中的重要一类，与三聚体G蛋白偶联，其立体结构中有7个跨膜α螺旋，是目前最大的受体超家族。没有找到天然配体的受体，即孤儿G蛋白偶联受体(orphan G protein-coupled receptors,oGPCRs)[3]。

APJ是O'Dowd等1993年通过基因序列同源性比较发现的，因与血管紧张素Ⅱ受体有40%～50%的同源性而命名[1]。APJ由380个氨基酸残基组成，并一直被认为是孤儿受体。Tatemoto K等[1]采用“反向药理学”方法对牛胃分泌物进行提取纯化，发现了APJ受体的内源性配体Apelin。2005年在鼠类和人类的皮下脂肪组织中发现Apelin的mRNA和蛋白质，因此将Apelin确认为脂肪因子[2]。

Apelin mRNA编码含77个氨基酸的原前体肽，在蛋白水解酶的作用下分裂产生36 aa、17 aa和13 aa大小的生物活性肽，其中N端为信号肽序列，C端为生物活性序列和APJ受体结合区，末端序列在各物种间完全保守，其功能也倾向保守，暗示其在生物进化过程中具有重要功能[4]。已有的研究表明，Apelin可降低血糖并增加葡萄糖利用率，有效恢复骨骼肌和脂肪组织中的糖耐量，在葡萄糖的体内平衡、脂肪组织量、炎性反应和肥胖相关性疾病的发生过程中发挥重要作用[5]。

2Apelin的生理功能

Apelin及其受体APJ在脑、心脏、胃、 胰腺、骨骼肌、血管、乳腺、脂肪等多种组织和器官广泛表达，并发挥相应的生理功能。

2.1神经系统

O'Dowd等发现APJ受体存在于大脑的多个区域中[1]，在对小鼠大脑进一步研究中发现，Apelin受体mRNA在下丘脑室旁核、视上核及垂体前叶中高表达，并且在松果腺和嗅核中也有表达[6]。Kasai A等[7]研究发现，在中枢神经系统中,Apelin mRNA和APJ mRNA在脊髓中的表达量最多。Apelin参与中枢神经系统信号调控，调节激素释放、昼夜节律、水和食物的摄取量。并对神经系统有一定的保护作用，如对抗兴奋性毒性损伤、氧化应激损伤和因损伤诱导的神经元凋亡[4]。因此，Apelin在维持内环境稳定中具有重要的功能。

2.2心血管系统

除了大脑之外，在两栖动物的血管内皮中也发现了Apelin受体APJ的表达。对鼠类的研究中，在胚胎发育期的初级血管内皮及心脏形成中和初生成的视网膜血管形成中，均可发现Apelin受体APJ的表达，同时在人的心脏和隐静脉中也发现了APJ的表达[8]。

Apelin不仅在心脏、肺、肾脏等组织发挥生物学功能，也作用于血管组织。高度血管化的组织Apelin表达量高。由此看出Apelin可诱导血管生成，对心血管系统的调节有重要作用[9]。

2.3免疫系统

Apelin受体APJ是人类免疫缺陷病毒( Human immunodeficiency virus,HIV )受体的辅助受体。APJ在T淋巴细胞表面表达，HIV与辅助受体APJ结合可有效进入靶细胞，而Apelin可以阻止HIV与辅助受体APJ的结合，防止HIV入侵[6]。PHA(phytohaemagglutinin)和IL-2(interleukin-2)激活外周血单核细胞(peripheral blood mononuclear cell,PBMC)后，APJ表达也上调[10]。大鼠在怀孕期间，在乳腺中可以发现Apelin mRNA表达升高，在免疫球蛋白丰富的初乳中Apelin相似的多肽类也大量地分泌，可见Apelin可以调节免疫应答[11]。

2.4肥胖和胰岛素抵抗

胰岛素抵抗的发生可以使白色脂肪组织中的游离脂肪酸(free fatty acids,FFAs)释放量增加。FFAs的升高可以导致葡萄糖摄取和氧化减少，胰岛素敏感性降低，从而使肝脏、骨骼肌等组织发生胰岛素抵抗[12-13]，因此游离脂肪酸的释放量和胰岛素抵抗有密切关系。

Apelin缺陷小鼠不仅增加了腹部肥胖而且增加了游离脂肪酸水平。腹部脂肪增多更容易导致胰岛素抵抗，游离脂肪酸增多进而沉积于非脂肪细胞中同样可以形成胰岛素抵抗。而给这些小鼠再次注入Apelin 2周后，脂肪、FFAs、甘油水平都降低了[14]，说明Apelin抑制腹型肥胖和胰岛素抵抗的发生。

对肥胖引起胰岛素抵抗的小鼠进行Apelin治疗，发现不论采用长期治疗还是短期治疗的方式，均可提高其胰岛素敏感性。对高脂饮食引起肥胖和胰岛素抵抗的小鼠进行Apelin静脉注射治疗后，可明显改善其葡萄糖耐受量，骨骼肌葡萄糖摄取量增加[15]，因此，Apelin可有效改善糖代谢。与磷酸缓冲盐治疗相比，用Apelin对高脂饮食小鼠处理4周后，发现其血糖明显下降、血胰岛素增加、葡萄糖降低、胰岛素敏感性增加[14]。Apelin治疗的小鼠还可以减少肥胖和血浆中的甘油三酯，Apelin在小鼠体内超表达时，能量消耗增高可防止食源性肥胖[16]，因此，Apelin治疗可通过增加整体能量消耗从而提高胰岛素敏感性。

Boucher J等[2]在对肥胖、Apelin、高胰岛素血症的研究中报道，伴有高胰岛素血症的肥胖大鼠Apelin mRNA表达相对更高，而对其胰岛素水平控制后，Apelin mRNA表达也得到控制。因此，胰岛素水平发生变化可以导致Apelin分泌发生变化，而Apelin有促进血管生成的作用，为脂肪组织提供生长所需能量[9,17]。胰岛素抵抗的发生可以使Apelin处于动态不平衡的状态，引起血管增长，导致脂肪组织增多，使肥胖发生。

3Apelin调控脂肪代谢的作用及机制

Apelin作为由脂肪细胞分泌的一种新型脂肪因子，在肥胖者体内的表达水平显著上调[2]。APJ受体在前体脂肪细胞和脂肪细胞中均表达，既可与Gi蛋白结合，又可与Gq蛋白结合。机体脂肪组织增加会导致Apelin分泌增加，脂肪细胞中APJ受体的表达也随即增加[18]。Apelin对脂肪代谢的调控作用及机制，目前有抑制脂肪生成和抑制脂肪分解两种不同的研究报道。

3.1Apelin抑制脂肪生成的作用及机制

有研究表明，Apelin可抑制高脂饮食诱导的脂肪生成。给Apelin敲除小鼠饲喂高脂饮食可导致其肥胖表型；用Apelin处理高脂饮食饲喂的肥胖小鼠，可显著减少其体内白色脂肪含量[19]。

Apelin抑制脂肪生成的作用机制与多条信号通路有关。Apelin与脂肪细胞膜上的受体APJ 结合后与Gi蛋白偶联并激活Gi。活化的Gi蛋白激活细胞外信号调节激酶1/2(extracellular signal-regulated kinases1/2,ERK1/2)[20]。ERK1/2信号可抑制脂肪生成关键转录因子PPAR-γ、C/EBP-α的表达和活化，并刺激脂肪分解[21]。在3T3-L1前体脂肪细胞成脂分化过程中，Apelin可激活ERK1/2信号，抑制成脂转录因子PPAR-γ、C/EBP-α以及成脂标记基因FAS(fatty acid synthase)、ACC(acetyl-CoA carboxylase)、aP2 (adipocyte protein 2)的表达[18]。Apelin还可激活Wnt信号，刺激抗成脂因子Wnt10b的表达，进而抑制PPARγ和C/EBPα表达，减少脂肪生成[18]。此外，有研究表明，Apelin 也可激活PI3K信号，上调3T3-L1脂肪细胞中水通道蛋白AQP7 (aquaporin 7) 的 mRNA表达，降低细胞中甘油三酯的积聚量[22]。可见，Apelin通过激活ERK1/2、Wnt、PI3K等多条信号通路抑制脂肪生成。

3.2Apelin抑制脂肪分解的作用及机制

脂肪分解后产生甘油和游离脂肪酸(FFAs)。一定条件下这两种脂解产物浓度的变化可用来反映脂肪细胞脂解作用的强弱。有研究显示，Apelin敲除小鼠血浆FFAs和甘油水平显著上升，给予外源Apelin后上述症状缓解；对于野生型小鼠脂肪细胞和3T3-L1脂肪细胞，Apelin还可降低异丙肾上腺素诱导的FFAs释放[14]，表明Apelin既可抑制基础状态下的脂肪分解，又可抑制刺激状态的脂肪分解。

Apelin抑制脂肪分解的作用涉及复杂的信号机制。一方面，Apelin依赖于Gi蛋白削弱cAMP/PKA脂解信号。当Apelin与APJ受体结合后可与Gi蛋白偶联并使其活化。活化的Gi蛋白抑制腺苷酸环化酶(AC)活性，进而降低细胞内cAMP含量和蛋白激酶A (portein kinase A,PKA ) 活性[20]。cAMP/PKA通路作为介导脂肪分解的一条重要通路，可增加HSL的脂解活性和Perilipin磷酸化，促进HSL向脂滴转位。该信号受阻可抑制脂肪分解，导致细胞内脂肪蓄积量增加[21]。

另一方面，Apelin依赖于Gq蛋白激活AMPK(AMP-activated protein kinase)信号。当Apelin与成熟脂肪细胞膜上APJ受体结合后可与Gq蛋白偶联，继而增加AMPK活性。活化的AMPK使脂肪细胞中HSL Ser-565磷酸化，导致内源性HSL向脂滴转位减少，脂解作用被抑制[14,23]。HSL是促进脂肪分解的重要限速酶，其脂解活性主要通过丝氨酸磷酸化来调节。HSL Ser-563、Ser-659、Ser-600、Ser-660被磷酸化均可激活HSL，而Ser-565被磷酸化则抑制HSL活性。Apelin不仅增加HSL Ser-565磷酸化，还可消除异丙肾上腺素刺激的HSL Ser-563磷酸化[14]。同时， Apelin还通过AMPK依赖的信号通路增加脂滴包被蛋白Perilipin表达，抑制基础状态下的脂肪分解；在儿茶酚胺类激素诱发的刺激状态下，Apelin可降低Perilipin磷酸化水平，抑制刺激状态下的脂肪分解[18]。可见，Apelin通过Gi依赖的cAMP/PKA信号和Gq依赖的AMPK信号抑制基础和刺激状态下的脂肪分解。

AMPK是一种广泛表达的丝氨酸/苏氨酸激酶，被认为是细胞内的能量传感器，在机体能量动态平衡中发挥重要作用。AMPK在脂肪组织(代谢)中的作用目前也存在争议。有研究显示，在低氧、锻炼、长时间饥饿的情况下，细胞内AMP/ATP比率增加，AMPK第172位苏氨酸残基磷酸化，AMPK被激活，进而使脂肪酸氧化增加[23]。脂肪酸氧化使得FFAs浓度降低，有助于进一步刺激脂肪分解，抑制脂肪生成。有研究表明，当Apelin/APJ受体系统通过Gq蛋白激活AMPK信号后，可以促进棕色脂肪细胞分化，诱发白色脂肪组织向棕色脂肪组织转变，同时增加产热转录因子PGC1α和UCP1的表达和脂肪酸氧化[24-25]。然而也有研究显示，激活AMPK信号抑制脂肪分解。AMPKα缺乏的小鼠基础脂解作用增强，同时脂肪细胞变小[23]；使用AMPK特异性抑制剂Dorsomorphin处理3T3-L1脂肪细胞，细胞中脂滴含量显著减少[26]。可见，Apelin通过AMPK信号调控脂肪代谢的确切机制尚有待于进一步深入探讨。

关于Apelin调控脂肪代谢的上述两种不同的作用及机制，推测可能与细胞所处不同生长阶段(如前体脂肪细胞或成熟脂肪细胞等)、不同环境因素等有关。

4展望

脂肪细胞通过多种脂肪因子的分泌在调节体内代谢平衡方面扮演中心角色，对肥胖、胰岛素抵抗和代谢性相关疾病有重要影响。Apelin在体内广泛分布，而且在心血管系统、神经系统、免疫系统中发挥其生理功能，尤其在脂肪组织中的调节作用也慢慢成为关注的热点。可以预见，对Apelin的深入研究，可以对肥胖和胰岛素抵抗等疾病提供新的理论依据，最终为探索该类药物的开发提供新思路。

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Biological Function and Regulation Mechanism of Adipocytokine Apelin

HE Li,YANG Yong-qing,LIU Mei-juan

(CollegeofLifeScience,ShanxiNormalUniversity,Linfen,Shanxi,041000,China)

Abstract:Apelin is an endogenous ligand for the APJ receptor.The past research indicated that Apelin played an important role in cardiovascular system,nervous system and immune system,including regulating the central nerve signal transduction,inducing angiogenesis, modulating immune responses.In recent years,some studies suggested that Apelin is an obesity-associated adipocytokine,it can increase the overall energy consumption and improve insulin sensitivity to suppress the occurrence of insulin resistance,and it may play an important role during occurrence of some diseases such as obesity and insulin resistance.Current research on the regulatory way of Apelin has two different kinds of report,inhibiting adipogenesis or inhibiting lipolysis.So this article gave a brief overview on the Apelin's structure,physiological function and the regulatory mechanism of lipid metabolism,and the perspective and application in the future were briefly discussed.

Key words:Apelin;adipocytokine; lipogenesis;lipolysis

文章编号:1007-5038(2016)03-0109-04

中图分类号:S852.21

文献标识码:A

作者简介：何莉(1990-)，女，山西长治人，硕士研究生，研究方向为脂肪代谢及其调控研究。*通讯作者

基金项目：国家自然科学基金项目(30972091)

收稿日期：2015-09-08