游离脂肪酸受体4调控能量代谢的途径与分子机制

任晓莹，梁向艳，刘媛，李亚，赵玉峰

(1.西安医学院基础医学部基础医学研究所，西安 710021；2.西安医学院附属第一医院内分泌科，西安 710077)

游离脂肪酸(free fatty acid，FFA)是机体的重要能量来源，还可作为细胞外信号分子结合细胞膜表面受体激活细胞内信号转导，调节多种细胞的激素分泌、细胞活性等。FFA受体(free fatty acid receptor，FFAR)4又称G蛋白偶联受体120，属于视紫红质样G蛋白偶联受体，可被C14～18长链饱和FFA及C16～22长链不饱和FFA激活[1]。FFAR4主要分布于胃肠道内分泌细胞、脂肪细胞和巨噬细胞，通过偶联的Gαq/11蛋白激活磷脂酶Cβ，进而活化磷脂酰肌醇信号转导通路，产生二酰甘油和1,4,5-三磷酸肌醇，刺激胞质Ca2+水平升高和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)活化，进而调控细胞功能[2]。研究表明，FFAR4还可在内吞过程中激活β-抑制蛋白2介导的信号通路，产生相应细胞效应[3]。

与野生型小鼠相比，FFAR4基因敲除小鼠更易发生胰岛素抵抗、糖与脂代谢异常、空腹血糖和体脂比例升高[3-5]。FFAR4失功能性基因突变与机体肥胖、空腹血糖升高、胰岛功能降低等相关[6]。可见，FFAR4参与调控机体物质能量代谢，对FFAR4的研究有助于肥胖等代谢疾病的治疗[7]。现对近年来FFAR4调控物质能量代谢的途径与分子机制研究进展予以综述，以期为FFAR4参与代谢调控的机制在肥胖等代谢性疾病治疗中的应用提供帮助。

1 FFAR4对下丘脑摄食中枢活动影响

下丘脑是调控食欲和维持能量代谢稳态的关键区域，位于下丘脑弓状核的神经肽Y/刺鼠相关蛋白神经元和阿黑皮素原神经元是调控摄食的关键。神经肽Y/刺鼠相关蛋白神经元兴奋可促进食欲，而阿黑皮素原神经元兴奋则抑制食欲[8]。神经元以葡萄糖为主要能源物质，FFA并不是神经元的能量物质。有证据表明，FFA可被下丘脑神经元感知，以代谢依赖性方式和FFAR介导的非代谢方式调节下丘脑神经元活动。FFAR4和FFAR1均可表达于下丘脑[9]。将不饱和FFA喂食小鼠或通过脑室注射均可减轻高脂饲料诱导的下丘脑炎症反应，并可激活FFAR4与β-抑制蛋白2的结合及其下游信号[10]。目前，尚无FFAR4介导不饱和FFA减轻下丘脑炎症和调节食物摄入的直接证据，但FFAR4参与了FFA对下丘脑神经元活动的调节。随后，对大鼠下丘脑源性rHypoE-7细胞的研究发现，FFAR4在大鼠下丘脑源性rHypoE-7细胞表达，其激活后可抑制肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)诱导的细胞炎症反应[11]。将FFAR4特异性激动剂TUG-1197注射到小鼠脑室后，高脂饮食诱导小鼠下丘脑的炎症反应明显减轻，小鼠食物摄入明显减少[9]。可见，高脂饮食刺激下丘脑产生非感染性炎症后可影响下丘脑神经元活动，改变能量代谢平衡，继而诱发胰岛素抵抗、肥胖和糖尿病，FFAR4激活能够直接抑制下丘脑的炎症反应，抑制食欲，进而改变能量代谢平衡。

FFAR4调节下丘脑神经元活动的具体机制尚未阐明。FFAR4在下丘脑何种细胞分布尚无定论，有研究认为，FFAR4表达于神经肽Y/刺鼠相关蛋白神经元[10]；也有文献报道，FFAR4表达于神经胶质细胞[9]。下丘脑神经细胞种类众多，全面揭示FFAR4在下丘脑的具体表达细胞是明确下丘脑FFAR4调控作用的关键。此外，FFAR4表达水平可随细胞功能状态而改变，如FFAR4在前体脂肪细胞不表达，在分化后的脂肪细胞高表达，因此在下丘脑FFAR4作用的研究中，FFAR4表达水平是重要因素之一。同时，FFAR1也表达于下丘脑，FFAR1与FFAR4均可被FFA激活，两者在下丘脑的作用有待深入研究。

2 FFAR4对胃肠内分泌的调节

胃肠道是营养物质消化吸收的器官，还可分泌多种内分泌激素。胃肠内分泌细胞广泛分布于胃肠黏膜，具有总体数量大、种类多的特点，可分泌20余种激素，参与调节食物摄入、消化吸收和能量代谢等。多种胃肠内分泌细胞均可表达FFAR4，其激活可改变胃肠激素分泌并调节食欲和能量代谢。FFAR4参与胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)、葡萄糖依赖性促胰岛素分泌多肽(glucose-dependent insulinotropic polypeptide，GIP)、胆囊收缩素(cholecystokinin，CCK)、胃促生长素等的分泌。

GLP-1是肠道L细胞分泌的一种肽类激素，可促进胰岛素合成，抑制胰高血糖素分泌，延缓胃排空，减少摄食。研究发现，FFAR4表达于L细胞，其激活可促进GLP-1分泌，长链FFA与FFAR4结合可激活磷脂酶C和磷脂酰肌醇信号转导通路，生成1,4,5-三磷酸肌醇，刺激内质网Ca2+释放，升高胞质Ca2+水平，进而刺激GLP-1分泌[12]。长期进食α-亚麻酸小鼠血浆GLP-1和胰岛素水平显著升高，抑制FFAR4表达，则上述作用显著减弱，可见FFAR4也参与了GLP-1分泌[13]。FFAR4激活还可保护肠内分泌细胞STC-1细胞对抗无血清培养条件下的细胞凋亡，说明FFAR4可调节细胞活性，与胞外信号调节激酶1/2和磷脂酰肌醇-3-激酶信号通路激活有关[14]。目前，GLP-1类似物已成为临床用药，用于肥胖等代谢疾病治疗，FFAR4激活可增强GLP-1细胞活性和分泌，为FFAR4激动剂的开发和应用提供依据。

其他胃肠激素分泌也受FFAR4调控。FFAR4激活可促进CCK分泌，CCK由小肠黏膜I细胞分泌，具有促进胆囊收缩和胰酶分泌的作用，还可调节下丘脑摄食调控神经元活动，抑制食欲。长链FFA刺激CCK分泌，Ca2+通道阻滞和FFAR4表达抑制可消除此作用，提示FFAR4激活可刺激小肠黏膜I细胞内Ca2+信号并促进CCK分泌[15]。FFAR4还表达于肠黏膜胃肠内分泌K细胞，K细胞合成与分泌GIP，GIP促进餐后胰岛素分泌，促进脂肪细胞分化成熟和贮脂[16]。GIP过多与肥胖的发生密切相关。FFAR4激活可直接刺激GIP分泌，在高脂饮食刺激GIP分泌中起关键作用[17]。也有研究指出，FFAR4激活后刺激CCK分泌，CCK进而刺激GIP分泌[18]。

此外，FFAR4还表达于胃促生长素细胞[19]。胃促生长素是由胃黏膜中内分泌P/D1细胞合成与分泌的肽类激素，其血液水平在饥饿时升高，在进食后降低。胃促生长素被认为是一种饥饿信号，作用于下丘脑食欲控制中枢，刺激进食；同时，胃促生长素还可直接作用于脂肪细胞，促进脂肪合成，直接作用于生长激素细胞，促进生长激素分泌，具有广泛的代谢调节作用。对体外原代培养小鼠的胃促生长素细胞进行研究发现，FFAR4激动剂可显著抑制胃促生长素分泌，FFAR4激动剂的抑制作用存在于整体动物水平[19]。FFAR4抑制胃促生长素分泌被认为与激活Gi蛋白和减少第二信使环腺苷酸产生有关，但具体机制尚有待深入研究[20]。

GLP-1、CCK、GIP和胃促生长素是机体重要的能量代谢调控激素，FFAR4激活可通过影响上述激素的分泌调节能量代谢。GLP-1和CCK作用于下丘脑的摄食中枢，抑制食欲，减少能量摄入，而胃促生长素则作用于下丘脑刺激食欲，促进能量摄入。FFAR4激活后促进GLP-1和CCK分泌，抑制胃促生长素分泌，总体上可产生一定的抑制摄食效应，减少能量摄入。另一方面，GLP-1和CCK作用于脂肪细胞，通过激活脂蛋白脂酶等促进脂肪分解，减少脂肪堆积，胃促生长素则促进脂肪堆积。FFAR4激活后对GLP-1、CCK和胃促生长素分泌的作用有助于促进脂肪分解，减少脂肪生成。

3 FFAR4对脂肪组织代谢的影响

FFAR4在前体脂肪细胞不表达，但可高表达于分化成熟的脂肪细胞。RNA可干扰并抑制小鼠前体脂肪细胞3T3-L1的FFAR4表达，导致前体脂肪细胞分化的抑制，提示FFAR4在脂肪细胞分化成熟中起重要作用[21]。随后，有研究发现，FFAR4激动剂TUG-891可提高前体脂肪细胞3T3-L1胞质Ca2+水平，并促进葡萄糖摄取[22]。研究指出，FFAR4激活还可促进白色脂肪的解偶联蛋白1表达，促进其向棕色脂肪转化，增加热量产出；另外，FFAR4激活可刺激脂肪细胞分泌成纤维细胞生长因子21，其可进一步增强脂肪细胞的解偶联作用，促进热量产生[23-24]。以上研究表明，激活FFAR4可降低血糖，增加能量消耗，有望用于肥胖和2型糖尿病的治疗[25]。研究表明，FFAR4激动剂TUG-891可增加小鼠棕色脂肪细胞摄取脂肪酸和促进脂肪酸氧化，增加线粒体分裂和氧消耗，减少脂肪含量，TUG-891的作用主要通过FFAR4激活的磷脂酰肌醇信号通路和胞质Ca2+水平升高有关。可见，FFAR4不仅可促进白色脂肪细胞的能量代谢，还可促进棕色脂肪细胞的能量消耗[26]。

脂肪细胞不仅对糖和脂肪代谢十分重要，还具有复杂的内分泌功能，释放瘦素和脂联素等激素以及白细胞介素(interleukin，IL)等多种活性因子，通过内分泌方式调节物质能量代谢，并通过自分泌方式调节自身状态。FFA可通过FFAR4调节内脏脂肪细胞IL-6、TNF-α、IL-10表达[27]。用FFAR4激动剂TUG-891处理小鼠3T3-F442A脂肪细胞发现，FFAR4激活可抑制IL-1、IL-6、IL-12和TNF-α的表达[28]。一方面，炎症因子可降低脂肪细胞的胰岛素敏感性，FFAR4激活可减少脂肪细胞炎症因子表达，这可能是FFAR4增强脂肪细胞胰岛素敏感性的原因之一。另一方面，脂肪组织中的巨噬细胞可释放细胞因子，以旁分泌方式调节脂肪细胞功能，在肥胖发生过程中，脂肪组织中巨噬细胞的数量增加，炎症因子释放增多，导致脂肪细胞对胰岛素敏感性降低，并参与机体胰岛素抵抗的发生。FFAR4表达于巨噬细胞，并在激活后减少诱导巨噬细胞由促炎 M1型向抑炎M2型的转变，减少IL-6、TNF-α表达，增加IL-10表达，从而有助于提高胰岛素敏感性，改善机体肥胖的代谢状态[29]。

FFAR4在脂肪组织可通过诱导脂肪细胞分化、增加脂肪细胞棕色化、抑制炎症因子表达改善物质与能量代谢。但脂肪细胞FFAR4激活产生各种效应的具体分子机制仍有待阐明；不同营养状态下(如肥胖或饥饿消瘦时)FFAR4激活后的效应变化也需进一步阐明。

4 FFAR4对肝脏代谢的影响

正常肝脏的肝上皮细胞不表达FFAR4，FFAR4表达于肝巨噬细胞(库普弗细胞)，库普弗细胞可释放炎症因子影响肝上皮细胞，参与脂肪性肝炎等代谢性疾病的发生。有报道称，库普弗细胞FFAR4激活可抑制c-Jun氨基端激酶和核因子κB介导的炎症反应，从而减轻肝脏缺血再灌注损伤[30-31]。FFAR4基因的R270H突变可致其功能下降，R270H突变人群较正常人群丙氨酸转氨酶水平升高，提示肝脏功能损害[32]。研究表明，二十二碳六烯酸可减轻肝脏脂肪沉积及其诱发的炎症，与FFAR4信号激活有关[33-34]。静脉注射富含鱼油的脂肪乳可防止肠外营养性肝功能损害，FFAR4基因敲除小鼠的鱼油保护作用不复存在，表明FFAR4参与肝脏功能，并减少肠外营养所致损伤[35]。库普弗细胞FFAR4激活可在肝脏产生抗炎效果，减少肝脏损伤，从而改善代谢。但也有研究发现，蛋氨酸可刺激大鼠肝上皮细胞株WB-F344细胞诱导FFAR4表达，且FFAR4参与蛋氨酸增强的细胞迁移活性，可见，在某种环境下，肝上皮细胞也可表达有功能的FFAR4[36-37]。多不饱和脂肪酸和运动训练可增加肥胖小鼠肝脏细胞中FFAR4的表达，并增强其信号传递，从而产生抗炎效应[38]。

FFAR4激活具有肝脏保护作用，此作用可通过调节库普弗细胞功能、抑制肝脏炎症实现，也可通过直接改变肝细胞基因表达实现，但目前FFAR4调节肝脏功能的报道较少。随着研究的深入，FFAR4在肝脏表达调控机制及其参与肝脏代谢的分子机制将逐渐阐明。

5 FFAR4对饮食偏好的影响

FFAR4表达于人类和啮齿类等动物的舌味蕾细胞[39]。与野生型小鼠相比，FFAR4基因敲除小鼠对脂肪酸选择性摄入减少，对脂肪酸刺激的味觉神经反应减弱，提示FFAR4参与机体对营养物质种类的偏好[40]。另有研究指出，FFAR4在小鼠感受饮食脂肪的过程中对小鼠的脂肪偏好无关键作用[41]。最新研究发现，FFAR4主要分布于舌前部味蕾细胞，激活后可兴奋脂肪酸感受相关神经元，在分辨脂肪酸味觉中具有一定作用[42]。FFAR4基因敲除小鼠脂肪酸引发的感觉神经元兴奋阈值显著提高，表明味蕾细胞FFAR4与脂肪刺激的味觉产生有关[42]。FFAR4很可能与其他脂肪感受分子(CD36等)共同调控小鼠的脂肪偏好，进而调节物质与能量代谢[43]。但味蕾细胞FFAR4激活的信号是否参与中枢神经其他能量代谢相关神经元的活动目前尚不清楚。

6 小 结

代谢性疾病如肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝等已成为当今社会危害人类健康的主要疾病，深入阐明机体代谢调控分子机制、寻找有效的干预靶点具有重大的社会和经济价值[44]。FFAR4具有抑制食欲、减轻肥胖、改善机体胰岛素抵抗的作用，可在多方面调控机体代谢，是治疗肥胖等代谢疾病的靶点分子。目前，FFAR4调控整体代谢的作用、在饱食、饥饿、低脂与高脂等不同营养状态下的作用及其影响因素仍需进一步深入研究，对FFAR4调控能量代谢与分子机制的研究有助于更加清晰认识FFAR4调控能量代谢的作用，也可为FFAR4相关靶点药物研发提供理论依据。