Toll样受体与肥胖①

张梦捷 孙爱平 李 慧 邢旭盼 张可昕 李肖雅 宋向风

(新乡医学院基础医学院免疫学教研室，新乡453003)

肥胖是一种复杂的、多因素的慢性代谢性疾病，其显著增加心血管疾病、癌症、糖尿病、骨关节炎和慢性肾病等慢性疾病的患病率。1980年，Nusslein-Volhard等[1]人首次发现并命名Toll基因；1994年，人体中的Toll样受体首次被报道。Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)是参与机体固有免疫的一类重要蛋白质分子，可以非特异性识别病原微生物或内源性相关分子，激活机体产生免疫应答。近年来，越来越多的研究发现，TLRs与肥胖之间有着密切的关系，但有关TLR1、TLR7、TLR8、TLR10与肥胖相关性的研究报道较少，因此本文将分别阐述TLR2、3、4、5、6、9与肥胖的相关性。

1 TLR2与肥胖

TLR2除表达于免疫细胞外，在肌肉、肝脏和脂肪组织中均有表达。游离脂肪酸可以通过TLR2促进3T3-L1脂肪细胞分泌TNF-α[2]，且Murakami等[3]发现在高脂饮食诱导下，共同表达TLR2与TNF-α的脂肪细胞在不同部位的脂肪组织中的表达存在差异，内脏脂肪组织中这种脂肪细胞的数量明显高于皮下脂肪组织。脂肪细胞不同的分化阶段成纤维细胞中TLR2的表达也不相同，在分化的早期表达丰富，随着分化的进展，其表达逐渐下降，但仍然高于未分化的脂肪细胞[4]。高脂饮食可以促进内脏脂肪组织TLR2的表达，但对皮下脂肪组织中TLR2的表达没有显著影响。进一步研究发现，TLR2敲除可以缓解高脂饮食诱导的小鼠全身性炎症的发生。Davis等[5]的研究结果显示，与低脂饮食的小鼠相比，给予高脂喂养16周的TLR2敲除小鼠表现为附睾脂肪组织脂质含量降低，相关炎症介质的表达降低，同时脂肪组织中巨噬细胞数量减少，这提示TLR2可能直接参与高脂饮食诱导的炎症，也可以通过调节脂肪细胞对胰岛素刺激的葡萄糖的摄取而间接影响炎症的发生。张浩强等[6]也证实TLR2基因敲除可以下调高脂饮食诱导的肥胖小鼠脂肪组织炎症因子的表达和细胞凋亡。然而也有研究显示，TLR2的表达可以预防高脂饮食所致的肥胖，Shechter等[7]的研究结果显示，给予3个月龄的小鼠高脂饮食，TLR2敲除小鼠与野生型小鼠体重均增加，但TLR2敲除小鼠增加的更多，这种预防作用主要在小鼠成年期，其机制可能是通过调节下丘脑神经元的作用而实现的。这些研究提示，不同年龄、不同发育阶段，TLR2发挥的作用也不同，但机制尚不清楚。

TLR2在胰岛素抵抗和2型糖尿病的发生、发展中也发挥着重要的作用[8]。有研究显示，与单纯肥胖人群相比，患有2型糖尿病的肥胖人群体内TLR2的表达显著升高。TLR2与内源性配体结合导致巨噬细胞的活化及IL-1、IL-6和活性氧(Reactive oxygen species，ROS)的产生，进而促进胰岛炎症的发生[9]。最近，Botteri等[10]报道，糖尿病状态下，增高的VLDL及脂蛋白CIII可通过TLR2激活ERK1/2信号途径，从而诱导内质网应激和炎症，导致胰岛素抵抗的发生。

TLR2在胰岛素抵抗所致的肥胖中也发挥一定的作用，TLR2 敲除小鼠能够在一定程度上避免胰岛素抵抗的发生，IL-6可能是导致与TLR2相关的胰岛素抵抗的主要细胞因子，而TLR2敲除小鼠胰岛素抵抗的发生可能部分取决于肠道菌群和TLR4的作用。早期有研究提出，TLR2 敲除小鼠也可以发生胰岛素抵抗，且与饮食诱导的肥胖小鼠发生的胰岛素抵抗不同，其表现为TNF-α和IL-6水平较低，同时也发现TLR2敲除后小鼠肠道菌群的组成发生改变，然而并不能确定这一改变是因为免疫缺陷所致，还是由于环境因素造成的[11]。这一过程是部分取决于肠道菌群的，另外在肥胖小鼠体内免疫细胞引起的炎症也加剧了胰岛素抵抗和代谢缺陷[12]。

高脂血症人群TLR2基因表达水平较对照组明显升高，且与高脂血症类型无关。有研究发现，高脂饮食下，TLR2敲除小鼠血清总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇和血清游离脂肪酸并不增加，Zhu等[12]发现，给予高脂肪饮食6周后，骨骼肌中TLR2和TLR4基因和蛋白质表达水平升高，并在使用降血脂药物(JLD和Ptz)(可以避免大鼠出现高脂肪饮食诱导的TC和TG的增加)后随着脂质水平降低而降低。因此，TLR2可以通过影响脂质代谢促进肥胖的发生，具体机制仍需进一步研究。

2 TLR3与肥胖

TLR3属于Toll样受体家族中的一员，与TLR2、4不同，其不能识别游离脂肪酸，主要识别双链病毒RNA、单链RNA，还可以识别坏死脂肪细胞的mRNA[13,14]。在人类脂肪细胞中，TLR3的表达明显高于非脂肪细胞。另有研究显示，随着脂肪细胞的分化，TLR3表达上调。在TLR3特异性敲除小鼠，高脂饮食(High-fat diet,HFD)饲养对体重或胰岛素敏感性没有影响，并且TLR3在HFD饲养16周所致脂肪组织炎症中发挥的作用有限[14]，3～4个月HFD饮食的小鼠，TLR3的表达水平与正常饮食小鼠无明显差异[15]。虽然TLR3在高脂诱导的脂肪组织炎症中发挥的作用有限，但TLR3经过特异刺激后可以增加细胞因子的产生，如poly(I:C)刺激可明显增加IL-8和MCP-1的表达，经过siRNA阻断TLR3后二者的表达均受到明显的抑制[14]。TLR3在胰腺中高表达，这说明其在一定程度上可以参与物质代谢。TLR3影响物质代谢可能有两种机制：①TLR3调节葡萄糖耐量，TLR3缺陷小鼠可以改善对血糖的控制。目前研究认为，TLR3敲除对小鼠血糖控制的改善作用是由于小鼠胰岛分泌的胰岛素升高所致，部分源于胰腺β细胞中Gck和vamp-2的表达增加。TLR3可以在一定程度上抑制胰岛素和葡萄糖信号，这可能是由于激活TLR3减少了脂肪细胞分化和对死亡脂肪细胞的识别。②TLR3调节血脂水平。TLR3缺陷也改善了血脂水平，降低了VLDL水平，减少了三酰甘油的生物合成，从而减少游离脂肪酸的生成，在一定程度上抑制肥胖的进一步恶化。TLR3的缺失可以改善血糖、血脂，有助于减轻肥胖的进一步发展[14,16]，此种作用仅出现在长时间的饮食干预下，此问题仍有待进一步研究。

3 TLR4与肥胖

TLR4是目前研究中与肥胖关系最为密切的模式识别受体。TLR4在几乎所有类型细胞中表达，在肥胖患者脂肪组织及其他组织中TLR4高表达[17]，同时伴有下游信号通路的增强。短链和饱和脂肪酸参与LPS所介导的炎症反应，而长链不饱和脂肪酸抑制饱和脂肪酸诱导的TLR4激活[18]。Yamada等[19]的研究表明，高密度脂蛋白和载脂蛋白A-1诱导细胞表面胆固醇流出，抑制TLR4易位到脂质筏产生抗炎作用。TLR4通路可以在禁食期间抑制肌肉中的脂肪生成，与野生型对照相比，TLR4缺陷型小鼠在禁食状态下脂肪量显著增加。孟晓燕等[20]的研究发现，TLR4敲除小鼠内脏脂肪组织表现为低度炎症状态以及免疫细胞数量和比例的失衡。此外，在HFD饮食条件下，小鼠以TLR4依赖的方式增加脂肪细胞的脂解，然而，给予TLR4缺陷小鼠喂食18周高脂饮食后，体重和肥胖度略有下降[21]。Mcmillan等[22]的研究结果表明，与同窝野生型小鼠相比，骨骼肌TLR4过表达小鼠在高脂饮食刺激下较前者更容易产生肥胖，作者认为这可能与ROS过度表达损伤机体对高脂肪饮食的反应能力有关。因此，TLR4可以促进脂肪的分解，而小鼠的体重取决于饮食等多种因素的作用。

研究显示，TLR4在脂肪细胞分化过程中表达上调[23]。脂肪组织炎症表现为单核和巨噬细胞的浸润以及脂肪组织扩张。肥胖患者单核细胞水平升高与内脏皮下脂肪及体脂质量呈正相关，且脂肪减少伴有单核细胞的显著减少[24]。脂肪组织中巨噬细胞的积累一方面来自于巨噬细胞的大量增殖(如内脏脂肪组织)，另一方面来自一些诱导因子(如IL-6)的募集作用[25]。在脂肪细胞分化过程中，脂质沉积导致了脂肪细胞体积变大，减轻异位脂肪积累。肥大的脂肪细胞分泌的趋化因子 (如 MCP-1)能够促使单核/巨噬细胞进入脂肪组织。脂肪细胞过度肥大会出现死亡，巨噬细胞以特有的冠状结构聚集在坏死的脂肪细胞周围并吞噬它们，最终引起慢性炎症反应。另外，肥大的脂肪细胞释放游离脂肪酸可以激活巨噬细胞释放TNF-α。TLR4促进脂肪组织纤维化的发展，然而过多胶原蛋白的积累和纤维化的发展可以限制脂肪组织扩张，从而导致异位脂质的积累和代谢综合征的发展。高脂诱导的胰岛素抵抗大鼠骨骼肌中TLR4 mRNA和蛋白表达水平显著升高，且TLR4的表达量与肌肉胰岛素敏感性呈负相关[26]。Tao等[27]提出，TLR4通过两种效应影响脂肪组织功能，在长期高脂饮食条件下，TLR4的敲除阻碍了脂肪组织的重塑，从而促进胰岛素抵抗的发生；而在3周的高脂饮食条件下，TLR4作为胰岛素抵抗的介质，TLR4敲除改善了机体对胰岛素的敏感性，且与饮食和年龄无关[28]；在短期高脂饮食中发现，炎症并不影响代谢功能，而观察到的早发性胰岛素抵抗可能是由肝脏和肌肉中的脂质超负荷引起的[29]。Velloso等[23]提出Fetuin-A是连接膳食脂肪的高消耗与TLR4的代谢炎症激活的关键所在；此外，在饮食诱导的肥胖早期，可伴发下丘脑炎症及其功能障碍，而在TLR4功能性缺失小鼠的骨髓衍生细胞中，下丘脑炎症及肥胖程度均减轻。

TLR4与宿主微生物的相互作用能够抵抗上皮性损伤，维持组织上皮的稳态。肥胖及高脂饮食削弱了肠道完整性，这种损坏作用可能是由于持续高表达的炎性细胞因子/肠道菌群失调对黏膜上皮的紧密连接蛋白(参与维持黏膜上皮机械屏障和通透性)的作用[30]。肠道完整性受损导致肠道微生物或其产物(如LPS)进入循环，研究发现饮食诱导的肥胖小鼠体内发生“代谢性内毒素血症”，且无菌小鼠对饮食引起的体重增加或肥胖有抵抗力。在内毒素和(或)发生易位的共生肠道菌群作用下，TLR4发挥两种作用：①激活细胞内信号通路，如NF-κB，增加活性氧/活性氮(ROS/RNS)和促炎细胞因子的产生，ROS/RNS进一步刺激TLR4复合物的产生，维持慢性炎症状态，这一过程被Lucas等[31]称为“TLR自由基循环”；②TLR4激活引起细胞间能量的转移，机体将调节自身代谢以释放更多能量用于免疫活动而非储存。机体通过TLR4途径促进脂肪的分解用于维持炎症，而免疫细胞在肥胖中诱发的炎症加重了胰岛素抵抗和代谢缺陷。综上，对于TLR4敲除模型而言，其系统代谢表型将取决于TLRs的炎症程度和TLRs的直接代谢功能之间的平衡[10]。

4 TLR5与肥胖

TLR5可以表达在肠黏膜细胞、成熟脂肪细胞，且在不同种类细胞表达部位存在差异。在人类脂肪细胞中，TLR5主要表达在细胞器内，仅小部分表达于细胞表面[32]。目前的研究认为，在肥胖过程中起主要作用的是肠黏膜细胞上的TLR5。革兰氏阴性细菌外膜上的PAMPs是其主要配体，鞭毛蛋白与肠道上皮细胞基底侧的TLR5接触后被激活[33]，通过类似TLR2和TLR4的MyD88信号通路来调节炎症反应[34，35]。TLR5在肥胖受试者的表达较高，且在食源性肥胖(Diet-induced obesity，DIO)和遗传瘦素不足的动物模型中TLR5表达增加，且TLR5高表达组较低表达组体重增加[20]。然而，与野生型小鼠相比，TLR5敲除小鼠在正常/高脂肪饮食时脂肪质量急剧增加，且表现为代谢综合征[36-38]。总之，TLR5高表达小鼠和TLR5敲除小鼠均表现为脂肪的增加，其机制尚不清楚。

TLR5促进炎症的发生，并参与破坏机体代谢。在肥胖者体内，脂质代谢异常，脂肪细胞肥大，导致局部缺氧和随后的细胞死亡，这些变化促使巨噬细胞浸润脂肪组织，同时，在除脂肪细胞外的细胞中，感染细菌与细胞外基质(Extracellular matrixc，ECM)整合蛋白结合，巨噬细胞的浸润以及细菌与ECM的整合共同导致脂肪细胞骨架重组和炎性细胞的浸润。鞭毛蛋白激活TLR5介导的信号通路，诱导NF-κB表达，ERK1/2磷酸化和IRS1的抑制性丝氨酸磷酸化。另外，研究表明，TLR5无意义的等位基因(如R392X，rs5744168)会显著降低促炎细胞因子(TNF-α和IL-1β)的水平[39]，防止体重增加。TLR5高表达组(h-TLR5组)也表现为代谢受损，由于中间代谢产物的增加使ROS产生增加，激活炎症途径，包括NF-κB，以及由硬脂酰去辅酶A去饱和酶-1(SCD1)所调节的脂肪酸饱和反应，TLR5信号通路的细胞内激酶激活mTOR通路而增加代谢效应，这可以导致内质网应激和脂肪生成[40]。h-TLR5组中，肠道菌群组成发生改变，鞭毛梭菌丛XIV(TLR5的激活剂)诱导炎症，从而增加肠道通透性，且使SCFA代谢基因(例如:AACS、ACSS3、HADH、ACACB和ACADM)表达下调，分解代谢减弱，这为脂肪的生成和炎症的发生提供基础。益生菌肠道微生物群涉及ECM降解、肌动蛋白丝重塑和TLR5信号传导，其表现为肠道炎症的减轻[31]。

5 TLR6与肥胖

TLR6主要表达于外周血单个核细胞，另外在脂肪组织、肝脏组织中也有所表达。TLR6可以特异性识别革兰氏阳性细菌的成分，并与TLR2形成异质二聚体(Heterodimers)参与传递炎症信号。

TLR6在与肥胖相关的慢性炎症状态和病态肥胖患者的肝脏疾病中发挥重要作用。Ariaslost等[41]研究发现，在病态肥胖患者中，与正常的肝脏活检相比，同时患有非酒精性脂肪性肝炎患者免疫细胞中TLR6表达明显增高，且特异性刺激外周血单核细胞TLR2/TLR6二聚体，其下游细胞因子(IL-6)的表达升高。目前研究认为，TLR6与肝脏疾病有密切相关性，但尚不能确定TLR6表达的升高是与肥胖和肝脏疾病有关的炎症状态的结果，还是引发炎症的原因。有研究显示，高脂饮食诱导的小鼠脂肪和肝组织中TLR2和TLR6的表达水平低于对照组[42]，TLR2和TLR6的低表达可能是对肥胖的一种暂时的抵抗机制，因为TLR2的低表达减少脂肪细胞的肥大。TLR6可以增强TLR2/TLR6的下游信号，并独立于TLR2水平促进炎症的发生[41]。实验显示，在非酒精性脂肪肝病患者中，TLR6的表达增加，而TLR2无明显变化。

6 TLR9与肥胖

TLR9 主要表达于B细胞和浆细胞样树突状细胞。在脂肪组织中，主要表达于脂肪组织的巨噬细胞和嗜酸性粒细胞。TLR9主要识别游离DNA(cfDNA)与未甲基化细菌CpG DNA。体外实验表明，在造血细胞中TLR9的活化，至少在一定程度上促进脂肪组织的炎症和胰岛素抵抗[43]。高脂饮食促进内脏脂肪组织中TLR9的表达[43]，且释放大量的cfDNA，cfDNA作为内源性配体与TLR9特异性结合后激活下游信号转导通路，引起炎症，释放TNF-α。另外，TNF-α可促使脂肪细胞中单核细胞趋化因子MCP-1的表达，从而促使巨噬细胞的浸润，进而影响脂肪细胞功能和胰岛素敏感性，且TLR9基因的缺失可减弱此作用。然而，研究表明，在12周的高脂饮食饲养之后，野生型和TLR9-/-小鼠之间的体重并无明显差别。甚至有相反的研究结果，在高脂肪饮食(High-fat diet，HFD)条件下，与野生型小鼠相比，缺乏TLR9的小鼠出现了与肥胖相关的葡萄糖耐受不良和胰岛素抵抗，表现出了过度的体重增加，有观点认为TLR9缺乏小鼠在高脂肪饮食刺激下促进胰岛素抵抗，且能够放大HFD诱发的代谢紊乱，从而导致肥胖[44]。虽然一些研究设计的差异可能会导致实验结果的不同，但这些现象说明，TLR9在高脂诱导的肥胖模型的炎症及代谢中发挥了重要的作用，但尚不明确其对体重的作用，仍需进一步研究证实。

7 结语

综上所述，TLRs(此处仅包括TLR2、3、4、5、6、9)与肥胖之间通过多种因素的相互联系，其中，TLR2、4发挥更为重要的作用，主要通过影响机体的炎症水平、代谢状态、胰岛素敏感性等多种机制影响小鼠的肥胖状态。高脂饮食诱导的肥胖小鼠体内TLRs的表达均增加，且能够和特异性的受体结合，促进机体的炎症状态，而TLR3的促炎作用相对有限，TLR2、3、9及长期高脂饮食下的TLR4能够降低机体对胰岛素的敏感性，而短期(3个月)高脂饮食条件下，TLR4改善了机体对胰岛素的敏感性，TLR2、3、5、9还可破坏机体脂质代谢的平衡。总之，TLRs与肥胖之间的关系还有很多未解决的问题，有待进一步研究，以便阐明其机制并为寻找肥胖及其相关代谢性疾病的治疗靶点奠定基础。