大黄酸改善糖脂代谢的相关机制

2019-03-18郭青玉邵加庆

国际内分泌代谢杂志 2019年3期

郭青玉邵加庆

1南京大学医学院 210000; 2南京大学附属金陵医院(东部战区总医院)内分泌科 210002

肥胖与2型糖尿病的发生、发展密切相关。2型糖尿病患者常合并脂代谢异常，单纯控制血糖不能完全消除糖尿病患者发生冠心病等大血管并发症的潜在隐患。因此，同时改善糖、脂代谢的异常至关重要[1]。由于传统中药具有多靶点治疗的特点，因此，从天然产物中寻找安全、高效的降糖、调脂药物成为了研究热点。

大黄是从蓼科植物根茎中提取的蒽醌类化合物，作为传统中药，在中国已有2 000多年的使用历史。大黄具有泻下攻积、凉血解毒、清热泻火、利湿退黄等功效。其主要成分大黄酸药理作用广泛，包括抗炎、抗氧化、抗纤维化、抗肿瘤、肝脏及肾脏保护作用等。近年有大量研究表明，大黄酸对肥胖、糖尿病、高脂血症、非酒精性脂肪性肝病等代谢性疾病的治疗作用显著[2]。但其作用机制复杂，现从分子层面上对大黄酸改善糖、脂代谢的机制展开综述。

1 丝裂原活化蛋白激酶(MARK)信号通路

胰岛素与受体结合后，激活胰岛素受体磷酸激酶，导致胰岛素受体磷酸化。胰岛素受体底物(IRS)-1的磷酸化在胰岛素信号转导中起重要作用，它可通过Ras-MARK信号通路对细胞核内的丝裂反应进行调控，最终影响细胞生长、增殖和有丝分裂。MARK 作为信号转导的中枢分子，可以参与4个家族的信号转导，包括c-Jun氨基端激酶(JNK)、p38 MAPK、细胞外信号调节激酶(ERK)1/2和ERK5。大黄酸可以调节MAPK信号通路的多个位点。其中，研究发现JNK信号通路的激活可以使高脂饮食的正常小鼠发生肥胖，并出现高血糖、高胰岛素血症、糖耐量下降及胰岛素抵抗等[3]。JNK信号通路中的多种膜受体，如死亡因子、转化生长因子β受体1以及多种信号分子，如死亡因子受体、转化生长因子β、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素(IL)-1β均受大黄酸调节[4-5]。大黄酸可通过抑制JNK的磷酸化，改善其激活所致的胰岛素抵抗及肥胖。既往众多研究表明，IL-1β是引起胰岛β细胞损伤及破坏的重要炎性因子，给予2型糖尿病大鼠IL-1β受体拮抗剂处理后，循环中炎性细胞因子水平下降，胰岛素抵抗得到明显改善。研究发现，100 mg/(kg·d)大黄酸可以显著下调TNF-α和IL-1β水平，降低胰岛素抵抗指数，保护胰岛细胞[6]。IL-6是多种细胞分泌的一种具有生物活性的细胞因子，是炎性反应的重要介质。在胰岛素抵抗及胰岛素分泌缺陷时，高血糖促进胰岛细胞分泌大量IL-6，加速胰岛β细胞凋亡。IL-6通过经典途径及反式信号转导途径活化，这两种活化途径均包括JNK-MARK的转导，小剂量大黄酸可通过抑制JNK-MARK通路，减少炎性因子IL-6的产生，最终减轻慢性低度炎性反应及胰岛素抵抗[7]。一项国外的研究发现，LIGHT是参与动脉粥样硬化的新型介质，大黄酸可以通过降低LIGHT诱导的活性氧簇的产生及p38 MAPK的磷酸化，发挥抗动脉粥样硬化作用[8]。2011年，Olsnes等[9]发现，ERK能够调节TNF-α和IL-6的表达。Lin等[10]采用C57BL/6J小鼠，通过高脂饮食和链脲佐菌素(STZ)构建2型糖尿病模型，发现在用25 mg/kg和50 mg/kg大黄酸处理后，小鼠血浆葡萄糖、甘油三酯和胆固醇水平显著降低，肝脏脂肪变性明显减少，胰岛素水平升高，进一步发现大黄酸减少了TNF-α和IL-6的表达以及ERK1/2的磷酸化，改善了氧化应激指标如超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活性。

2 磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B(PI3K-Akt)信号通路

PI3K-Akt信号通路是胰岛素的主要下游分子通路。在动物和人类进食后，由胰岛β细胞分泌产生的胰岛素与胰岛素受体结合，使胰岛素受体自磷酸化激活，进而激活PI3K。PI3K作为第二信使激活Akt，活化的Akt通过促进葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)及糖原合酶激酶-3β(GSK-3β)的合成、分泌、转运，增加糖原的生成，同时使叉头蛋白O1失活，抑制葡萄糖-6-磷酸酶及磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的表达及糖异生，最终降低血糖。在肥胖及2型糖尿病发生过程中，过多的游离脂肪酸和甘油三酯沉积在肝脏和肌肉中。在肝脏中，过多游离脂肪酸氧化导致线粒体呼吸链电子传递频率加快，线粒体膜电位长期处于高电位状态并最终导致大量活性氧簇的产生，使IRS-1的丝氨酸和苏氨酸位点发生磷酸化并抑制胰岛素刺激下的IRS-1酪氨酸位点磷酸化，最终抑制IRS-1与 PI3K的耦合及PI3K-Akt信号通路的激活及细胞对葡萄糖的摄取[11]。研究发现，在用STZ构建的2型糖尿病小鼠模型中，肝组织中的糖原合成相关基因PI3K、Akt和GSK-3β磷酸化水平明显降低。应用大黄酸治疗后能阻断其磷酸化水平的降低，促进糖原的合成，从而证明大黄酸可以通过激活PI3K-Akt信号通路，促进糖原合成，最终改善糖尿病小鼠的胰岛素抵抗状态[12]。早在2008年，母义明教授就发现糖尿病造模组大鼠的胰岛素抵抗明显，GLUT4的表达较正常组明显下降，而大黄酸治疗组的糖尿病大鼠胰岛素抵抗指数明显改善，甚至接近于正常组水平，其作用与上调脂肪组织中GLUT4蛋白的表达而促进脂肪组织对葡萄糖的摄取有关[13]。近期，李珂等[14]采用0.1 μmol/L、1 μmol/L、10 μmol/L、100 μmol/L的大黄酸处理C2C12肌细胞，结果发现，大黄酸能增强胰岛素受体及IRS的磷酸化水平，同时增加GLUT4的表达水平，提高胰岛素信号通路的转导。FOXO位于PI3K-Akt的下游通路，可以调节糖、脂代谢。在肝脏中，胰岛素通过抑制FOXO通路，减少葡萄糖的产生并增加葡萄糖的利用，而胰岛素抵抗激活FOXO，导致高血糖和高甘油三酯血症[15]。国外研究发现，大黄酸可以通过增加沉默信息调节因子2相关酶1的表达，抑制FOXO1的活性[16]。

3 核因子-κB信号通路

核因子-κB是一种具有多种多向转录调节作用的蛋白质因子，参与免疫调控，介导炎性反应。在肥胖及胰岛素抵抗的产生中，炎性因子TNF-α、IL-6通过磷酸化核因子-κB抑制蛋白(IκB)激酶(IKK)，使其活化，进一步磷酸化IκB，最终活化核因子-κB信号通路[17]。同时活化的IKK能够增加胰岛素受体及IRS的丝氨酸磷酸化，从而抑制PI3K的蛋白酪氨酸磷酸化，使胰岛素信号转导受阻，导致胰岛素抵抗。此外，TNF-α、IL-6所形成的低度炎性信号状态，会进一步加速胰岛素抵抗的发生[18]。大黄酸可以通过抑制IKK、IκB及核因子-κB的活性，发挥其抗炎活性，改善胰岛素抵抗[8]。黄淼等[19]采用先天肥胖性2型糖尿病小鼠db/db模型发现，db/db对照组小鼠胰腺组织内核因子-κB的表达明显增多，大黄酸治疗组(120 mg/kg,1%纤维素钠溶解)小鼠胰腺内表达核因子-κB的细胞明显稀疏，血糖水平明显下降，胰岛素水平明显升高，尤其是早期相胰岛素分泌升高明显。国外研究进一步发现，大黄酸可以抑制新型动脉粥样硬化介质LIGHT的表达，这一作用与大黄酸降低LIGHT诱导的活性氧簇的产生、IκB的磷酸化、核因子-κB的激活与TNF-α、IL-6的表达密切相关[8]。近年来也有研究表明，核因子-κB介导的炎性反应在非酒精性脂肪性肝病中起关键作用。TNF-α通过TNF-α/核因子-κB信号通路，间接诱导肝细胞损伤和肝脏脂肪浸润。Wei等[20]研究发现，大黄酸不仅抑制TNF-α的表达，而且还降低核因子-κB的表达和磷酸化及TNF-α下游信号磷酸化-核因子-κB/核因子-κB的比例，最终抑制免疫应答，改善糖尿病小鼠的脂肪肝疾病。

4 AMP活化蛋白激酶(AMPK)信号通路

AMPK是一种广泛参与调节细胞代谢的激酶,被称为“能量感受器”。其活性主要受细胞中AMP/ATP比值的调节，一旦胞浆中AMP/ATP比例升高,或其他因素激活AMPK时，AMPK可增强葡萄糖摄取和利用,以及脂肪酸氧化,产生更多能量;同时抑制葡萄糖异生、脂质合成及糖原合成等通路,减少能量消耗，从而使细胞能量代谢保持平衡[21]。AMPK的下游靶点羟甲基戊二酸CoA还原酶(HMG-CoA)和乙酰辅酶A羧化酶(ACC)是甘油三酯和脂肪酸合成的关键酶，在脂代谢调节方面具有重要作用。激活的AMPK可以使ACC磷酸化而失活，抑制脂肪酸的合成。同时AMPK的激活可磷酸化下游靶蛋白固醇调节元件结合蛋白-1c(SREBP-1c)，抑制其进入细胞核发挥作用。SREBP-1c是肝内调控脂肪酸从头合成的关键转录因子，直接参与调控有关脂肪酸、甘油三酯合成和葡萄糖代谢相关酶基因的表达，包括乙酰辅酶A合酶、ACC、脂肪酸合酶等，激活的AMPK抑制SREBP-1c的作用，抑制了脂质的合成和摄取，从而减少脂质沉积[22]。Sheng等[23]采用高脂饮食诱导的肥胖小鼠为动物模型，基因分析和Western 印迹分析表明，大黄酸明显抑制肝脏中SREBP-1c及其靶基因的表达。荧光素酶报告基因测定显示，大黄酸通过其上游调节因子肝脏X受体(LXR)，抑制SREBP-1c的转录活性，降低脂肪酸合酶、ACC mRNA的表达，最终减少肥胖小鼠体重，改善胰岛素抵抗，降低循环胆固醇水平，逆转肝脏脂肪变性，使肝功能趋于正常。该团队另一项体外研究表明，大黄酸可以直接与LXR结合，同时可以呈剂量依赖性地拮抗脂肪细胞3T3-L1及肝瘤细胞中由LXR激动剂GW3965所致的LXR靶基因的高表达，例如脂肪酸合酶、硬酯酰辅酶A去饱和酶1、ACC。在肥胖小鼠白色脂肪组织、肌肉及肝脏中，大黄酸降低LXR靶基因的表达，同时拮抗LXR对解耦联蛋白(UCP)-1的抑制作用，并且显著增加肥胖小鼠棕色脂肪组织中UCP-1基因的表达，在不影响小鼠摄食量和排泄物脂肪含量的情况下，完全抑制高脂饮食诱导的小鼠体重及脂肪的增长，改善糖耐量，降低血清胆固醇水平，改善肝功能[24]。Lin等[10]研究进一步证实，大黄酸通过抑制SREBP-1c的活性，降低2型糖尿病小鼠血浆甘油三酯、胆固醇、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶水平，改善非酒精性脂肪性肝病的氧化应激，减少肝脏脂肪变性。

5 过氧化物酶体增殖物活化受体(PPAR)信号通路

PPAR是一种核激素受体，可以被脂肪酸及其衍生物激活。PPAR有3个亚家族，它们参与三大代谢的调节、炎性反应与细胞凋亡等重要过程。PPARα调节肝脏或骨骼肌脂代谢相关基因的表达，以清除循环或细胞中的脂质。PPARβ/δ参与脂质氧化和细胞增殖。PPARγ是一种配体激活的核转录因子，在葡萄糖稳态、脂质合成及脂肪细胞分化过程中发挥重要作用。已经证明，PPARγ激动剂是潜在的胰岛素致敏因子，可以治疗2型糖尿病，但是能够使患者体重增加。相反拮抗剂拮抗PPARγ信号，可能会抑制C57BL/6小鼠脂肪细胞的分化、减轻体重及改善代谢紊乱。目前大黄酸对PPARγ的促进或抑制作用存在争论。部分研究人员以STZ构建的2型糖尿病大鼠为动物模型，发现糖尿病对照组肝脏内的PPARγ表达明显低于正常组，而大黄酸给药组肝脏内的PPARγ表达明显高于糖尿病对照组，因此认为大黄酸可以作为一种新型PPARγ的激动剂，改善糖尿病大鼠空腹血糖及胰岛素敏感性[25]。另外一部分学者则认为大黄酸为PPARγ的拮抗剂。Zhang等[26]研究表明，大黄酸可以拮抗吡格列酮对PPARγ的活化，同时调节一系列PPARγ靶基因的表达，如脂蛋白酯酶、分化簇36、ACC等，这些基因的表达均与脂肪酸的合成及氧化密切相关。同时研究发现，大黄酸通过诱导产热基因UCP-1、UCP-3及脱碘酶2的表达,增加能量的消耗，最终减轻肥胖小鼠的体重。以上结果表明，大黄酸可以通过调节PPARγ通路，阻断高脂饮食诱导的肥胖。近期,李佳佳等[27]运用体外培养3T3-L1前脂肪细胞，发现大黄酸可以显著抑制对3T3-L1前脂肪细胞的分化，减少胞质中的脂滴积聚，同时可以呈剂量依赖性地降低3T3-L1前脂肪细胞中甘油三酯的含量。PPARγ能够刺激前脂肪细胞分化为成熟脂肪细胞，与脂肪形成密切相关。该实验也进一步发现80 μmol/L大黄酸能够显著下调脂肪诱导分化转录因子PPARγ的表达。脂肪酸合酶是PPARγ下游涉及脂类存储和调节脂代谢的靶基因，其受PPARγ的调控，增加脂肪细胞中脂滴的积聚，大黄酸40 μmol/L、80 μmol/L能够显著降低脂肪酸合酶mRNA的表达，从而抑制胞质内脂质的积累。