视黄酸在糖脂代谢和胰岛素抵抗中的作用研究进展

刘名，杨捍宇，谢秋实，刘李

（中国药科大学药学院药物代谢研究中心，江苏 南京 210009）

维生素A（视黄醇）是人体所必需的脂溶性维生素，任何动物自身不能合成维生素A，必须从食物中摄取[1]。维生素A 能调节生殖、免疫、视觉和新陈代谢，并维持皮肤、肺、骨髓、肝脏和神经系统的正常功能[2-3]。在正常生理条件下，维生素A 主要存在于肝脏、脂肪和胰腺等组织，体内80%的维生素A 以视黄醇酯的形式储存在肝脏星型胶质细胞胞质的脂滴内[4]。在体内，维生素A 首先由视黄醇脱氢酶（retinol dehydrogenase，RDH）和醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase，ADH）氧化成视黄醛，视黄醛再经由视黄醛脱氢酶（retinal dehydrogenase，RALDH）不可逆氧化成视黄酸，视黄酸是维生素A参与生理过程的主要活性物质[5]。视黄酸同时也经细胞色素酶（CYP450 酶）中的CYP26 家族代谢成非活性的4-羟基视黄酸等极性代谢物，且视黄酸的分解代谢是维持细胞和组织视黄酸水平的关键[6-7]。视黄酸以多种异构体形式存在，体内视黄酸主要有全反式视黄酸（all-trans retinoic acid，atRA）、9-顺式视黄酸（9-cisretinoic acid，9-cisRA）、13-顺式视黄酸（13-cisretinoic acid，13-cisRA）和9，13-顺式视黄酸（9，13-cisretinoic acid，9，13-cisRA）。其中atRA 是体内的最主要的异构体形式[8]。视黄酸主要通过激活视黄酸受体（retinoic acid receptor，RAR）和视黄醇 类X 受体（retinoid X receptor，RXR）来调控基因表达和蛋白的产生，RAR 和RXR 可与其他核受体形成同源或异源二聚体，包括RAR、肝脏X 受体（liver X receptor，LXR）、过氧化物酶体增殖激活受体（peroxidosome proliferators activate receptors，PPAR）等[9-10]。据报道，视黄酸可调控500 多种基因，并且参与肥胖、糖尿病、肿瘤、精神类疾病等疾病的过程[11]。

除了血糖、血脂和胰岛素水平紊乱外，糖尿病患者往往也伴有严重的维生素A 类物质水平失衡。早在1937 年就有研究人员报道糖尿病患者肝中视黄醇水平显著升高，近期的临床研究和动物实验均显示糖尿病和肥胖引起体内维生素A 类物质紊乱[12-13]。笔者所在实验室研究显示，高脂饲养大鼠和糖尿病大鼠体内维生素A 类物质水平紊乱，胰腺、肝和肾等组织中视黄醇浓度明显增加，而血中视黄醇浓度明显降低，同时还发现高脂饲养大鼠和糖尿病大鼠肝中视黄酸浓度显著增加，而视黄醛浓度显著降低，这种视黄醛和视黄酸浓度改变和肝脏ADH/RDH 活性与表达降低以及RALDH 活性与表达增加相对应[13]。有文献报道视黄酸和RXR 激动剂LG268 可引起大鼠血浆中三酰甘油水平升高[14]。另有文献报道临床病人服用视黄酸常伴随高血脂血症等副作用[15-16]。RALDH1a1-/-基因敲除小鼠也表现出较低的空腹血糖和肝糖异生水平，其肝和脂肪等组织中也呈现低浓度的视黄酸和高浓度的视黄醛，且高脂饲料喂养也不易引起RALDH1a1-/-小鼠肥胖和胰岛素抵抗发生[17]。此外研究还发现，用维生素A 缺乏饲料喂养大鼠6 周后，维生素A 缺乏大鼠血浆中葡萄糖、三酰甘油和胰岛素等指标相对于对照组大鼠有明显降低，且体内脂肪堆积减少，体质量降低[18]。这些结果说明视黄酸浓度紊乱有可能参与糖尿病发生发展。视黄酸对糖尿病进程的影响正成为近期研究的热点，本综述将从视黄酸对糖脂代谢、胰岛素分泌以及胰岛素抵抗的影响及其调节机制等方面展开探讨。

1 视黄酸与糖代谢

1.1 视黄酸对葡萄糖激酶的调节

葡萄糖激酶（glucokinase，GCK）是己糖激酶的同工酶之一，在调节血糖的稳态过程中发挥着至关重要的作用，多存在于胰腺β 细胞和肝脏中[19-20]。当体内血糖升高时，葡萄糖转运体2（glucose transporter 2，GLUT2）将葡萄糖转运至胞内，经GCK 磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate，G6P），后者可以继续参与糖酵解供能，也可以在肝脏合成糖原储备能量[19,21-22]。

视黄酸对GCK 的调控主要通过诱导GCK 的转录和翻译来实现（见图1）[23]。有研究证明2 或20 μmol · L-1视黄酸与大鼠原代肝细胞温孵6 h 后，GCKmRNA表达增加，胰岛素可以协同这一作用[23]。5 μmol · L-1视 黄 酸 与INS-1 细 胞 温 孵3 或6 h 后，均能增加GCK 的表达[24]。视黄酸主要通过激活RAR 与RXR 结合形成的异源二聚体而实现对GCK表达的促进，其结合于RAR/RXR 的配体结合域（ligand-binding domain，LBD），促使该核受体复合物的DNA 结合域（DNA-binding domain，DBD）与视黄酸反应元件（RAR response element，RARE）结合[25]。RARE 位于GCK基因的启动子，因此当视黄酸激活RAR/RXR 时，GCK 表达上调。给予大鼠原代肝细胞RAR 激动剂TTNPB 和RXR 激动剂LG268 均能诱导GCK 表达，二者合用作用更加明显[23]。同理，PPAR 反应元件（PPAR response element，PPRE）也存在于GCK基因的启动子中，视黄酸存在时，也可诱导PPARγ 与RXR 形成的异源二聚体与PPRE 结合，启动GCK 的转录[26]。肝 细 胞 核 因 子4α（hepatocyte nuclear factor 4α，HNF4α）和鸡胎蛋白上游启动子转录因子（chicken ovalbumin upstream promoter-transcription factor，COUP-TFII）同样与GCK 启动子中RARE 结合，且可以协同视黄酸对GCK 表达的诱导[27]。

1.2 视黄酸对磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的调节

磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK）主要在肝脏、肾脏和脂肪组织中表达[28]。PEPCK 能催化草酰乙酸转化为磷酸烯醇式丙酮酸，这一过程是肝脏糖异生一个重要的速率控制步骤[29]。PEPCK 没有变构和翻译后修饰，其活性受本身蛋白质丰度调节，PEPCK 的基因表达受多种激素和营养情况的调节[30]。其中胰高血糖素、糖皮质激素和饥饿状态可以正向调节PEPCK 的表达，而胰岛素和葡萄糖则抑制PEPCK 的表达[31]。

有文献报道用维生素A 缺乏饲料喂养小鼠10周后，灌胃给予维生素A 缺乏小鼠视黄酸（10 mg · kg-1），小鼠肝脏中PEPCKmRNA 和蛋白水平均明显增加[32]。RALDH1a1-/-基因敲除小鼠肝脏中PEPCK基因表达显著下调，伴随着RALDH1a1-/-基因敲除小鼠空腹血糖降低，糖异生能力下降[33]。5 μmol · L-1视黄酸与大鼠肝癌细胞（H4IIE）或大鼠原代肝细胞温孵18 h 均可以提高PEPCK 的mRNA 水平，并且这一作用和糖皮质激素相协同[34]。以上研究结果均表明视黄酸可以诱导PEPCK 的表达。

在肝脏细胞中视黄酸诱导PEPCK 表达的机制已经被广泛研究（见图1），多种蛋白能与PEPCK基因的启动子结合并影响其表达，包括RAR、RXR和激活转录因子2（activating transcription factor 2，ATF2）等[35]。Lucas 等[36]证 明 在H4IIE 细 胞 中PEPCK基因启动子-451 到-434 序列中存在RARE1反应元件，视黄酸不仅可以激活RAR 受体与RARE1 结合，也可以通过激活RAR 与其他核受体如RXR 形成异源二聚体，其与RARE1 反应元件结合，从而诱导PEPCK基因表达。该课题组随后发现PEPCK 启动子-402 到-306 基因序列中存在RARE2反应元件，视黄酸可以通过激活RAR 与RXR 形成RAR/RXR 异源二聚体，其与RARE2 结合并启动PEPCK 转录[37]。对小鼠原代肝细胞给予视黄酸和RXR 抑制剂HX531，HX531 可以抑制视黄酸对PEPCK 的诱导作用[33]。有文献证明视黄酸可以激活RXR，使其与自身形成同源二聚体，RXR/RXR与RARE1 结合诱导PEPCK基因表达；同时视黄酸也会激活RXR 与COUPTF-II 结合，这一受体复合物会与RARE2 结合，进一步增加PEPCK 表达[38]。此外，视黄酸可以诱导HepG2 细胞中p38 丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen activated protein kinase，p38 MAPK）表达[35]，p38 MAPK 作为ATF-2 的公认修饰剂，可以磷酸化ATF-2 的特定碱基，使其mRNA 和蛋白表达增加。ATF2 可以与PEPCK 的启动子中环磷酸腺苷反应元件1（cyclic AMP response element 1，CRE-1）结合，增加PEPCK 启动子活性，诱导PEPCK基因表达[39]。因此笔者推测视黄酸也可能通过p38 MAPK-ATF2 通路诱导PEPCK基因表达。但在小鼠3T3-442A 脂肪前体细胞中，视黄酸通过促使PPAR/RXR 异源二聚体与PEPCK基因序列中RARE3（位于大鼠脂肪PEPCK基因的-2999到-2987 序列之间）结合，诱导PEPCK基因表达[40]。

图 1 肝脏视黄酸对GCK 和PEPCK 基因表达的调节机制Figure 1 Regulating mechanism of retinoic acid on the expression of GCK and PEPCK genes in liver

2 视黄酸与脂质代谢

脂肪合成代谢主要在肝脏和脂肪组织中进行，其稳态受激素、转录因子和能量底物的相互作用的严格控制。在胰岛素刺激下，脂肪组织中三酰甘油分解成游离脂肪酸（free fatty acid，FFA），FFA 进入肝脏和肌肉等组织氧化分解供能[41-42]；摄食后，通过食物摄入和肝脏新合成的FFA 会合成三酰甘油储存在脂肪和肝脏等组织[43]。

在临床上，视黄酸被用来治疗急性早幼粒细胞白血病和各种皮肤病，其副作用之一为脂质代谢紊乱，主要表现为三酰甘油或胆固醇的升高[15-16]。灌胃给予SHR 大鼠15 mg · kg-1全反式视黄酸15 d 后，大鼠血浆中的三酰甘油和胆固醇升高，肝内脂肪大量堆积[44]。在用维生素A 缺乏饲料喂养Wistar 大鼠8 周后，维生素A 缺乏大鼠肝脏和白色脂肪质量相对于对照组显著下调，同时维生素A 缺乏大鼠可以抵抗高果糖饲料喂养引起的肝脏脂质堆积[45]。以上研究结果提示视黄酸可以增加脂质合成。

FFA 的合成主要受固醇类调节元件结合蛋白（sterol-regulatory element binding proteins-1c，SREBP-1c）调控（见图2）[46-47]。视黄酸可以促使RXR 与LXR 结合形成异源二聚体RXR/LXR，该核受体复合物进一步与SREBP-1c 启动子上的LXR 反应元件（LXR response element，LXRE）结合，诱导SREBP-1c 的生成[48]。Joseph 等[49]证明LXRE与SREBP-1c基因均存在于FAS（fatty acid synthase）启动子中，当FAS 启动子中SREBP-1c 或LXRE 突变时，RXR/LXR 异源二聚体诱导FAS 的表达的作用仍然存在，表明LXR/RXR 异源二聚体诱导FAS表达的作用可以不依赖于SREBP-1c 或LXRE，由此我们可以推测视黄酸也可能直接通过RXR/LXR异源二聚体诱导FAS 的合成。视黄酸也可以激活RAR 受体，直接诱导甾醇辅酶A 脱氢酶（stearoyl-CoA desaturase，SCD）基因表达，促进FFA 合成，这一作用可以被RAR 特异性抑制剂所逆转[50]。视黄酸和贝莎洛汀等RXR 激动剂均能通过促使RXR与PPARγ 形成异源二聚体从而增加SREBP-1c基因表达，最终促进FFA 的合成[51]。脂质合成和分解过程均影响最后脂质的稳态，体内三酰甘油的分解主要受脂蛋白脂肪酶（lipoprotein lipase，LPL）调控，载脂蛋白（apolipoprotein CIII，Apo CIII）是体内LPL 活性的天然抑制剂[52]。视黄酸和RXR 受体激动剂LG100286 均可使Apo CIII 的基因和蛋白水平升高[53]，Apo CIII 表达增加，体内三酰甘油堆积[28,54]。而视黄酸可以激活RXR[9]，由此推测视黄酸还可能通过激活RXR 诱导Apo CIII基因表达，使得Apo CIII 上调，进一步抑制LPL 的活性，导致三酰甘油分解减少，脂质堆积。

由此可见，视黄酸在脂质生成和分解过程中均发挥着重要作用，是维持体内脂质稳态必不可少的重要成分之一，在外源性给予过多视黄酸时可能会造成肥胖、脂质堆积等不良反应。

图 2 肝脏视黄酸对脂质合成的调节机制Figure 2 Regulating mechanism of retinoic acid on lipid synthesis in liver

3 视黄酸与胰岛素抵抗

3.1 视黄酸与胰岛素分泌

胰岛素由胰腺β 细胞合成并分泌，当葡萄糖浓度达到阈值时，葡萄糖刺激胰腺中葡萄糖感受器GLUT2 和GCK[55]。葡 萄 糖 通 过GLUT2 进 入胞内，GCK 将其磷酸化形成葡萄糖-6-磷酸，葡萄糖-6-磷酸进入糖酵解过程，产生腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），从而使得ATP/腺嘌呤核苷二磷酸（adenine nucleoside diphosphate，ADP）比率增加，细胞膜K+通道关闭、去极化、Ca2+内流，胞内Ca2+浓度增加，进而介导胰岛素分泌[56]。

Matthews 等[57]报道，用维生素A 缺乏饲料喂养大鼠70 d 后，维生素A 缺乏大鼠胰岛β 细胞数量严重减少，胰腺和血清中胰岛素水平降低，血糖升高。分别以10 nmol · L-1、100 nmol · L-1或1 μmol · L-1视黄酸与INS-1 细胞温孵48 h，结果显示葡萄糖刺激胰岛素分泌量随着视黄酸浓度增加而上调[58]。同样地，将1 nmol · L-1视黄酸与RINm5F 细胞温孵48 h，葡萄糖刺激胰岛素分泌量也显著增多[59]。以上研究结果表明视黄酸可以促进胰岛素分泌。

众多文献已报道了视黄酸促进胰岛素分泌的机制。如前所述，视黄酸能上调GCK 的活性和表达，GCK 活性和表达上调不仅可以促进胰岛素分泌，产生的能量也可以供给胰岛素原的合成[24]。在RAR基因敲除小鼠体内，胰岛素分泌水平下降，血糖升高。并且RAR基因敲除小鼠胰腺的GCK和GLUT2基因表达显著降低；对体外培养的RAR基因敲除小鼠胰岛给予不同浓度葡萄糖刺激，结果显示胰岛素分泌均减少。给予正常C57BL/6 小鼠胰岛RAR 抑制剂LE540 时出现相同现象，视黄酸或RAR 激动剂BT10 可以逆转LE540 抑制胰岛素分泌的作用[60]。由此可以推测，视黄酸可能通过激活RAR 受体增加胰腺中葡萄糖感受器GCK 和GLUT2 的表达，促进胰岛素分泌。Fernandez-Mejia 等[61]研究发现，在RIN-m5F 细胞中给予100 和1 000 nmol · L-1视黄酸后GCK 酶活性分别增加了50%和80%，GCK的mRNA 水平也有所上调，同时伴随着胰岛素原mRNA 表达的增加，胰岛素分泌增加。胰岛素原基因转录的调控依赖于RAR 等核受体与位于转录起始位点上游一小段DNA 序列的相互作用。人类胰岛素原转录起始位点上游存在胰岛素连锁多态区域（insulin-linked polymorphic region，ILPR）， 在ILPR 远端有一个Ink 序列，可以与RAR 等核受体结合。将含有Ink 序列的荧光报告基因转染到表达RAR 受体的COS7 细胞中，当有视黄酸刺激时，Ink 序列转录水平是无视黄酸刺激时的31 倍。同样在HITT15 细胞中，这一序列也可以被视黄酸激活，因此视黄酸可能通过激活RAR 受体，继而激活Ink序列来启动胰岛素原基因的转录[62]。

3.2 视黄酸与外周组织胰岛素抵抗

在胰岛素敏感的肝脏中，胰岛素可以刺激脂肪生成、抑制糖异生、促进糖利用和糖原合成[55]。而视黄酸对肝糖代谢调控作用是双向性的。视黄酸通过诱导糖利用关键酶GCK 表达而促进糖利用，且与胰岛素间存在协同诱导作用[23]。同时视黄酸也可通过诱导糖异生中关键酶PEPCK 和G-6-Pase 表达促进糖异生，而胰岛素则拮抗视黄酸诱导PEPCK表达的作用[24]。视黄酸诱导GCK 表达，加速糖代谢，而诱导PEPCK 和G-6-Pase 表达，则增加糖异生，可见视黄酸对肝糖代谢的最终结果取决于其净效应。当肝脏发生胰岛素抵抗时，胰岛素不再抑制糖异生，且糖利用受损，但促进肝脂肪合成特性仍然保留[63-64]，加之外周对糖摄取和利用减少，血糖升高，胰岛素释放增加，促进肝脏脂肪合成，肝脂肪蓄积，加重胰岛素抵抗。胰岛素诱导GCK 作用和抑制PEPCK 表达作用减弱，导致视黄酸诱导糖异生作用相对增强[2,33]。此外视黄酸诱导SREBP-1c表达，促进脂肪合成，进一步加重肝胰岛素抵抗和肝糖代谢损伤，共同导致糖尿病或加重糖尿病症状。

在肌肉组织中，胰岛素不仅可以通过影响GCK、PEPCK 的活性和表达来控制血糖，还可以刺激肌肉组织的葡萄糖转运，增加葡萄糖的转运速率可以加快细胞对葡萄糖的利用[65]。骨骼肌营养物质的过度供应会产生代谢副产物，导致胰岛素抵抗。神经酰胺、活性氧、二酰甘油和柠檬酸循环中间体等代谢物都被认为是胰岛素作用的抑制剂，大多数研究者认为过量的神经酰胺是肌肉胰岛素抵抗的原因之一[66]。体外给予人红细胞3.3 μmol · L-1视黄酸48 h 后，胞内的神经酰胺浓度显著增加[67]。在L6 细胞中，葡萄糖摄取主要依赖于葡萄糖转运体4（glucose transporter 4，GLUT4）转位作用，然而GLUT4 的转位作用随着神经酰胺浓度增加而减弱，肌肉细胞糖摄取减少进而引发肌胰岛素抵抗的发生[68-69]。因而视黄酸可能通过上调神经酰胺引起GLUT4 转位减少，肌肉细胞糖摄取减少导致肌胰岛素抵抗。同时神经酰胺还可以激活蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A）、降低蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，Akt）活性，从而导致胰岛素抵抗[70-72]。因此视黄酸在肌肉组织中可能通过促进神经酰胺等代谢物的过量产生来引起胰岛素抵抗的发生。

4 结语

视黄酸是调节生理过程必不可少的活性成分之一，但其在体内失衡所带来的风险也不容忽视。虽然有文献证明视黄酸可以通过促进胰岛素分泌来改善小鼠糖尿病症状[73]，然而这种现象并没有临床试验支持，并且我们也不能忽视视黄酸在临床应用过程中引发的高血脂症，这一副作用也会加重胰岛素抵抗。在今后视黄酸的应用过程中如何使其发挥最大作用同时又能规避其副作用是我们将来努力的方向。