肝糖异生的调控机制及降糖药物的干预作用

李红雪,匡洪宇

(哈尔滨医科大学附属第一医院内分泌科，哈尔滨 150001)

糖尿病是全球范围内日益严重的慢性健康问题。据国际糖尿病联盟估计，目前全球约有4.51亿糖尿病患者，预计2045年将会增加到6.93亿[1]。其中2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)占糖尿病患者总数的90%以上[2]。T2DM是由于遗传、环境等多重因素共同作用而形成的多基因遗传性疾病，是一种复杂的糖代谢性疾病，可引起多器官或组织功能失调，使机体中胰岛素的分泌减少及功能减弱，导致高血糖症和广泛的代谢缺陷。因此，T2DM的防治是目前全球范围内需要解决的热点问题。

肝脏是维持机体能量平衡的主要器官，参与糖的代谢(包括糖原合成、糖原分解、糖酵解和糖异生)，在维持血糖稳态中起重要作用。当机体处于空腹状态时，非碳水化合物来源的葡萄糖和糖原通过肝糖异生作用，将葡萄糖供给处于饥饿状态的组织，从而维持血糖水平。在T2DM患者中，由于胰岛β细胞功能受损、胰岛素抵抗、胰高血糖素分泌增多等，肝糖异生率增加从而导致肝糖调节功能障碍，继而出现高血糖[3]。现就肝糖异生的转录调控机制及当前降糖药物的肝糖异生干预作用进行综述。

1 肝糖异生的调控机制

在长期禁食或饥饿状态下诱导非糖化合物(乳酸、生糖氨基酸、甘油等)转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生。糖异生需要丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxy kinase，PEPCK)、果糖-1,6-二磷酸酶和葡萄糖-6-磷酸酶(glucose 6 phosphatase，G6Pase)绕过糖酵解酶催化的不可逆反应，其中PEPCK和G6Pase被认为是糖异生途径的关键控制点。肝脏是糖异生的主要器官，肾脏的糖异生功能只有肝脏的1/10[4]，因此肝糖异生对于调控机体血糖水平具有重要意义。肝糖异生水平首先通过转录因子介导的编码糖异生酶基因的激活和抑制实现翻译前调节[5]，同时营养状态的改变和激素的释放将诱导肝糖异生相关基因的转录并通过磷酸化、甲基化和乙酰化等完成翻译后修饰(post-translational modification，PTM)，实现整条信号通路的激活，完成肝糖异生反应[6]。

1.1肝糖异生信号通路 在外部因素的刺激下，胰岛素、胰高血糖素、糖皮质激素等激素被促进或抑制，影响糖异生途径，进而调节基因表达和葡萄糖的生成。胰岛素通过蛋白激酶B介导的叉头转录因子O亚家族(forkhead transcription factors of the O class，FOXO)1的磷酸化及抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)的表达和转录活性，抑制G6Pase及PEPCK基因表达来调控肝糖异生[7]。在禁食条件下，胰高血糖素、糖皮质激素[8]、肾上腺素[9]可通过腺苷酸环化酶的激活而增加肝脏中的环腺苷酸(cyclic adenylic acid，cAMP)浓度，从而引起蛋白激酶A的活化，并通过丝氨酸磷酸化诱导cAMP应答元件结合蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)上调PGC-1α的表达，进而刺激肝糖异生和脂肪酸氧化，同时可增强FOXO1转录活性，启动G6Pase及PEPCK基因来维持饥饿状态下的糖异生作用。下丘脑-垂体-甲状腺轴的相关激素亦与糖代谢关系密切[10]，促甲状腺激素通过cAMP与其受体促甲状腺激素受体相互作用激活蛋白激酶A，进一步抑制盐诱导激酶2的激活，使去磷酸化的CREB转录共激活因子(CREB-regulated transcription coactivator，CRTC)2进入细胞核并与CREB相互作用，促进PEPCK和G6Pase基因的表达，从而促进肝糖异生。

1.2肝糖异生转录因子

1.2.1CREB CREB是一种通过与G6Pase、果糖-1,6-二磷酸酶和PEPCK启动子区上CREB结合蛋白相结合而发挥作用的葡萄糖异生基因转录激活剂。有研究表明，CREB的失活会降低小鼠的血糖水平，同时减少糖异生基因的表达，表明CREB是体内肝糖异生的一种真正的生理转录调节因子[11]。CREB的转录通过与CRTC的结合进一步增强，CRTC家族主要有CRTC1、CRTC2和CRTC3，以及新发现的CRTC第二家族CREB辅激活物。其中CRTC2在肝脏中高表达，通过诱导下游PEPCK、G6Pase、PGC-1α的表达增加维持空腹时的葡萄糖稳态[12]。正常状态下，磷酸化的CRTC2被隔离在细胞质内，随着cAMP水平的升高，CRTC去磷酸化后转运至细胞核，从而与CREB结合激活cAMP应答元件介导的基因转录，调控肝糖异生[13]。因此,抑制CRTC2的表达可成为抑制肝糖生成治疗的新靶点。

1.2.2FOXO FOXO属于一类叉头转录家族，参与调控细胞周期进展、凋亡、分化、能量代谢等过程。其在哺乳动物中的4种主要亚型包括FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6[7]，其中FOXO1是肝脏中的主要亚型。FOXO1结合位点被定位在G6Pase和PEPCK的启动子上，在胰岛素-蛋白激酶B途径中起关键作用[14]。FOXO1的主要作用是促进空腹时糖异生基因PEPCK和G6Pase的表达，增加肝糖输出，逆转胰岛素抵抗[15]。有研究发现,FOXO1过表达可使小鼠肝糖原水平降低，而FOXO1基因缺失小鼠则表现出葡萄糖利用增加，肝糖异生受到抑制[16]。在人类脂肪细胞试验中发现，FOXO1的抑制诱导了整个网络的胰岛素抵抗状态，表明FOXO1对于维持人类脂肪细胞的正常胰岛素信号转导至关重要[17]。同样在高糖高脂小鼠肝脏中FOXO1转录活性明显增加,且脂肪酸合成酶的表达增加，表明FOXO1具有调控胰岛素调节肝脏糖脂代谢的能力。

1.2.3PGC-1和肝细胞核因子4α(hepatocyte nuclear factor 4α，HNF-4α) 协同激活因子家族已成为整合信号通路，是控制细胞和系统代谢的主要参与者。PGC-1家族由PGC-1α、PGC-1β、PRC(PGC-1相关因子)三个成员组成，它们可与多种转录因子相互作用，在维持葡萄糖、脂质和能量稳态方面起关键作用[18]。PGC-1α(一种已知的核受体共激活剂)被认为是多种转录因子的共激活剂。有研究发现，PGC-1α以蛋白激酶B介导的磷酸化抑制方式结合并共同激活FOXO1，在肝细胞和小鼠肝脏中表达[19]。HNF-4α是一个高度保守的核受体超家族成员，被证明为调控肝特异性基因表达和肝细胞分化所需的转录因子[20]。HNF-4α通过与启动子中的HNF-4α顺式元件结合来激活PEPCK和G6Pase的表达。此外，HNF-4α功能障碍还与年青的成年发病型糖尿病、高血脂水平和代谢综合征等相关[21]。因此，HNF-4α可能是这些疾病发病机制中的关键调节因子。

1.2.4PEPCK和G6Pase PEPCK通过催化草酰乙酸的鸟苷三磷酸依赖性脱羧生成磷酸烯醇式丙酮酸，作为肝脏、肾脏和脂肪组织糖异生的第一步。当胰岛素抵抗发生时,其活性明显增高，使肝糖异生加速，肝糖输出增加。有研究显示，当小鼠血糖水平显著降低时，肝脏PEPCK蛋白水平下降，表明PEPCK在生理性葡萄糖稳态中起重要作用[22]。研究表明，PEPCK启动子具有与葡萄糖稳态直接相关的转录因子结合位点，如CREB、FOXO1。由于PEPCK的表达是精确协调的，并且与全身葡萄糖需求平行，PEPCK的表达被广泛地用作对分子或药物干预反应的肝糖异生通量变化指标[23]。G6Pase是一种膜结合的多元系统，由底物葡萄糖-6-磷酸、产物葡萄糖及磷酸盐的催化单元和转运单元组成。G6Pase的催化亚单位包括G6PC1、G6PC2和G6PC3三个基因编码。其中G6PC1基因表达受胰岛素和胰高血糖素的直接调控[24]。G6Pase在肝脏中的活性最高，与PEPCK一样，G6Pase并没有翻译后调控，仅受到转录水平的调节[25]。G6Pase启动子包含多个激素应答转录因子共激活因子结合位点，是肝糖异生作用中重要的关键点。

1.3PTM调节肝糖异生 PTM是指蛋白质合成后进行可逆或不可逆的共价修饰，包括磷酸化、去甲基化、去乙酰化、ADP-核糖化和泛素化等，以细胞和组织特异的方式调节基因转录[26]。PTM在糖异生调节中的作用受到广泛关注，磷酸化多种转录激活因子，是PTM调节糖异生的典型机制[27]。此外，赖氨酸乙酰化和精氨酸甲基化在糖异生调节因子中被认为是进化上保守的PTM，在糖异生调节中起重要作用[28]。

2 药物干预作用

2.1二甲双胍与肝糖异生 二甲双胍是T2DM的一线治疗药物，通过抑制肝糖异生降低血糖是二甲双胍的主要作用机制，然而确切机制仍待探究。有研究表明，二甲双胍可通过激活AMP活化蛋白激酶通路磷酸化CRTC2，从而调控肝糖异生[29]。同时二甲双胍可通过抑制线粒体复合物的活性，减少腺苷三磷酸的生成，进而调控糖异生的关键基因。但有研究表示，二甲双胍的关键作用可能与ATP浓度或AMP活化蛋白激酶激活无关，而是通过增加胞质的氧化还原状态调节糖异生[30]。研究发现，二甲双胍诱导的AMP浓度增加被证明对果糖-1,6-二磷酸酶有变构抑制作用，进而调节肝糖异生[31]。虽然二甲双胍作为治疗T2DM的首选药物，但还有许多深度机制有待挖掘。

2.2噻唑烷二酮药物(thiazolinediones，TZDs)与肝糖异生 TZDs降糖药在临床中广泛应用，虽然近年来TZDs在治疗T2DM方面失去了优势，但仍是公认有效的胰岛素增敏剂，已知TZDs是通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor-γ，PPARγ)发挥降糖效应,PPARγ是代谢、炎症和其他途径中基因表达的主要调节因子，主要作用于脂肪组织，通过调节葡萄糖和脂质的相互转化来提高胰岛素敏感性[32]。增加胰岛素敏感性是抑制肝糖异生的重要条件，而PPARγ作用于PEPCK和G6Pase是其介导胰岛素增敏作用的主要机制[33]。有研究发现，PPARγ激动剂能减少地塞米松诱导细胞G6Pase、PEPCK、FOXO1、PGC-1α等基因表达[34]。国内有研究证明，TZDs可以增强AMP活化蛋白激酶的磷酸化，增强CRTC2的磷酸化，抑制CRTC2的转录共激活活性，从而调控肝糖异生，在整体上改善高血糖[35]。上述研究证明了TZDs具有调控肝糖异生的作用。

2.3磺脲类药物(sulfonylureas，SU)与肝糖异生 SU是一种广泛应用于T2DM的口服降糖药，是一类胰岛素促泌剂，通过刺激胰岛β细胞分泌胰岛素，增加体内胰岛素水平发挥作用。急性期使用SU可刺激胰岛素分泌来发挥降血糖作用，但有研究表明，SU在慢性治疗中可能与胰腺外作用相关，可以通过改善胰岛素抵抗来降低血糖[36]。进一步的研究表明，SU能够在活化胰岛素信号指标蛋白激酶B的同时抑制肝脏PEPCK和G6pase表达，增加肝糖原的合成并减少糖异生[37]。已经证明，无论是在大鼠肝脏还是分离的大鼠肝细胞中，SU均可抑制不同的糖异生前体葡萄糖生成，同时增加葡萄糖激酶活性，下调PEPCK活性，调控肝糖异生，表明SU在增加肝糖利用的同时抑制肝糖输出[38]。

2.4胰高血糖素样肽1(glucagon-like peptide 1，GLP-1)与肝糖异生 GLP-1是由肠黏膜L细胞分泌的一种肠降血糖素，具有显著降糖、减重、肝保护等作用，已广泛应用于临床。GLP-1通过刺激胰岛素分泌、抑制胰高血糖素分泌、减缓胃排空、减少食物摄入等作用发挥降糖作用。尽管关于GLP-1受体在肝细胞中的表达仍存在争议，但通过观察GLP-1及相关药物在各种胰岛素抵抗模型中的肝脏获益，可以得出结论GLP-1具有胰岛素非依赖性的肝保护作用[39]。有研究显示，GLP-1类似物能够单独激活肝糖异生反应，并且不使用cAMP作为肝组织中的细胞内信使[40]。同样在动物研究中发现GLP-1类似物可降低糖尿病db/db小鼠和Pax6m/+小鼠[41]、人原代肝细胞以及HepG2细胞[42]中G6Pase和PEPCK的水平和活性，表明GLP-1参与肝糖异生的调控，但无法确定GLP-1是单独作用还是通过对激素作用而实现肝糖异生的调控，因此进一步的基因转录机制和通路有待研究。

2.5二肽酰肽酶4(dipeptidyl peptidase-4，DPP-4)抑制剂与肝糖异生 DPP-4抑制剂作为一种新型降糖药物,在当前降糖领域占有重要地位。此类药物通过抑制DPP-4活性抑制GLP-1的降解，延长GLP-1的促胰岛素分泌作用，从而调控血糖水平[43]。但DPP-4抑制剂对内源性葡萄糖生成的抑制途径研究较少，有研究认为降低糖异生前体(如甘油)的可用性是DPP-4抑制剂治疗肥胖大鼠糖异生减少的机制[44]，表明长期应用DPP-4可抑制全身脂肪分解，减少肝糖异生和肝糖生成，从而降低空腹血糖。同样有研究发现，DPP-4抑制剂可显著减少高糖高脂小鼠肝脏中糖异生基因的表达，抑制CREB磷酸化并增加CRTC2的表达，同时上调FOXO1的磷酸化可使G6Pase和PEPCK的蛋白表达水平降低，机体血糖水平降低[45]，表明肝糖异生也是DPP-4抑制剂的降糖机制之一，DPP-4抑制剂可能被用来控制肥胖患者的空腹血糖，以延缓或预防T2DM。

3 小 结

机体需要稳定的葡萄糖供应来维持各组织器官的正常生理功能，肝糖异生反应在维持机体葡萄糖代谢稳态中发挥重要作用。同时，肝糖异生反应在多种水平上受到调控，包括胰岛素、胰高血糖素、糖皮质激素等激素的分泌调节以及多种转录因子参与的翻译前调控和PTM，从而影响机体葡萄糖代谢水平。在现阶段临床常用的降糖药物(二甲双胍、噻唑烷二酮类、磺脲类、胰高血糖素样肽和DPP-4抑制剂等)均被研究发现能够通过调控肝糖异生反应发挥作用。未来，不断发掘新的肝糖异生调控基因或通路、寻找肝糖异生的作用靶点将成为T2DM诊治的新方向。