鸢尾素在运动改善胰岛素抵抗中作用的分子机制

林俊杰 赵仁清 周亚兰 崔威 彭妍 田鑫 朱柏树 孙龙飞

扬州大学体育学院（江苏扬州225127）

2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）及其并发症严重降低了患者的生活质量，是致残、致死的重要原因之一。胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）是T2DM 的关键病因，多发生于脂肪组织、骨骼肌和肝脏中[1]。IR 会导致胰腺β细胞代偿性增加胰岛素分泌以维持血糖稳定，出现高胰岛素血症，当胰腺β细胞无法分泌足够的胰岛素以维持血糖代谢平衡时，则出现高血糖[2]。由于脂肪、骨骼肌、肝脏等组织存在IR，导致注射胰岛素等药物治疗方案存在局限性；另外，药物治疗不能改善肌肉减少、脂肪增多及提高T2DM 患者的生活质量。研究表明，规律运动可以增加能量消耗，减少脂肪含量，增加肌肉力量，改善组织血液循环，增加胰岛素受体敏感性[3]，成为目前预防T2DM 的重要措施，然而运动改善IR的分子机制尚不清楚。近些年研究报道，鸢尾素（irisin）在调节能量代谢、改善IR 中发挥重要作用，且鸢尾素的分泌与运动关系密切。本文采用英文检索词irisin，exercise，insulin resistance，diabetes，hyperglycemia，hyperinsulinism，以及中文检索词鸢尾素、运动、胰岛素抵抗、糖尿病，通过PubMed、Cochran Library、Embase、Wed of Science、中国知网等数据库检索相关文献，对鸢尾素在胰岛素抵抗中的作用机制，以及运动通过鸢尾素激活多条信号通路改善胰岛素敏感性进行总结，为制定预防和治疗T2DM的运动处方提供理论依据。

1 糖尿病胰岛素抵抗

胰岛素是一种由51个氨基酸组成的多肽，由胰岛β细胞产生和分泌。胰岛素促进肌肉、肝脏和脂肪组织中的葡萄糖吸收，将其转化为糖原和甘油三酯；胰岛素在肝脏组织中抑制糖异生、糖原分解及酮生成作用，同时促进蛋白质合成[4]。胰岛素受体在机体中广泛存在，如肌肉、脂肪、肝脏等，当这些组织出现炎症，线粒体功能障碍，糖、脂代谢紊乱等问题后，表现为组织中的胰岛素受体对胰岛素的敏感性和反应降低，出现IR[5]。

胰岛素通过酪氨酸激酶受体使胰岛素受体底物1（insulin receptor substrate 1，IRS-1）磷酸化，激活磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）和蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/AKT）[6，7]，进而激活葡萄糖激酶，抑制糖异生[8]，因此，IRS-1/PI3K/AKT 信号通路活性降低是IR 的重要机制之一。另一方面，肥胖可导致炎性细胞因子水平升高，而IR 通常与炎性细胞因子水平升高密切相关[9]。白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、肿瘤坏死因子-α（Tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）等炎性因子的升高会阻碍胰岛素信号的传导，从而引发IR[10]。p38 丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen activated protein kinase，p38MAPK）信号系统是另一个调节IR的重要分子通路，参与细胞分化、凋亡、免疫调节及炎症反应过程[11]。Lawan 等[12]报道，p38/MAPK 在肥胖受试者的骨骼肌中表达降低，且p38/MAPK能够增加运动中骨骼肌的葡萄糖摄取，可能是降低IR的重要靶点[13]。

线粒体功能障碍主要包括线粒体的数量减少和过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPAR-γ）共激活因子1-α（PGC-1α）、共激活因子1-β（PGC-1β）水平降低，导致胰岛素信号减弱和次生脂质代谢产物积累[14]。次生脂质代谢产物通过激活丝氨酸/苏氨酸激酶导致丝氨酸磷酸化，使胰岛素受体及其底物失活，增加IR[15]。除此之外，因线粒体生物功能障碍和脂毒性产生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）也会增加IR[16]。ROS 还会抑制线粒体生物功能，导致细胞内脂肪酸积累，形成脂毒性和IR恶性循环[17]。

2 运动与胰岛素抵抗

运动是预防T2DM 的重要措施。运动可有效增加肌肉力量和骨骼肌的横截面积，从而增加骨骼肌的糖摄取量，降低血糖，改善IR。Croymans 等[18]的研究发现，每周3次、持续12周的抗阻训练能明显提高男性肥胖受试者骨骼肌的胰岛素敏感性，同时受试者的瘦体重及肌肉相对力量也得到显著提升，另外骨骼肌中的葡萄糖转运蛋白4 （glucose transporter protein 4，GLUT4）的表达也增加。GLUT4可以促进骨骼肌的葡萄糖摄取，从而降低血糖[19]，这提示运动改善IR可能与GLUT4 表达增加有关。此外，有氧与抗阻相结合的运动方式改善IR、降低血糖的效果要优于单一运动形式[20，21]。规律运动还会消耗机体过多的脂肪，包括皮下脂肪和内脏脂肪，从而降低脂毒性，阻断脂毒性与IR 的恶性循环。研究发现，长期有氧训练后男性肥胖受试者脂肪量和血清IL-6水平减少，与肥胖相关的IR也得到明显改善[22]。

在动物实验中也观察到类似的结果，在进行急性运动和长期训练后，小鼠骨骼肌IRS-1的磷酸化水平及葡萄糖摄取量都得到显著提高[23]。大鼠在进行8周的游泳运动后，其腓肠肌中的PI3K磷酸化水平显著增加[24]。糖尿病小鼠在进行长期的有氧联合抗阻运动训练后，骨骼肌中的AMP 激活蛋白激酶（Adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）活性明显提高，同时糖耐量水平也得到显著改善[25]。IRS-1、PI3K、AMPK等蛋白活性与IR密切相关[26，27]，提示运动改善胰岛素敏感性的作用可能与这些蛋白表达有关。

虽然运动可增加葡萄糖摄取，减少脂毒性及炎症反应，改善胰岛素敏感性，但所涉及的分子机制仍然不清楚。肌肉因子irisin其分泌与运动关系密切，在运动改善胰岛素敏感性中可能发挥重要的作用。

3 鸢尾素与糖尿病胰岛素抵抗

3.1 鸢尾素生物学特征

Irisin是由纤维连接蛋白Ⅲ型域包含蛋白5（fibronectin type Ⅲdomain containing protein 5，FNDC5）经蛋白水解酶剪切而成的含有112 个氨基酸的多肽[28]。鸢尾素高度保守，人和小鼠的鸢尾素氨基酸序列具有100% 同源性。鸢尾素几乎存在于机体的所有组织和器官中，比如在人的脑脊液、肝脏、胰腺、胃、血清、唾液及尿液中均检测到鸢尾素存在[29-31]，同样，在大鼠的肾脏、心脏、大脑、肝脏、肌肉、皮肤、视网膜、松果体和甲状腺中也检测到鸢尾素表达[32-35]。在所有组织中，鸢尾素在骨骼肌中表达水平最高，其次是其他肌肉组织，如心脏、舌头、直肠等[36]。鸢尾素在脂肪组织中也有较高表达，但其含量为在骨骼肌中含量的1/100左右[36]。鸢尾素的分泌受到多种因素的影响，运动、寒冷、饮食、药物和病理状况等都会影响其表达[37]。

3.2 鸢尾素与胰岛素抵抗

鸢尾素具有促进能量代谢、加速脂肪分解、增加肌肉对葡萄糖摄取、减少肝脏组织糖异生，以及减轻炎症因子和氧化应激等作用，鸢尾素通过改善这些因素促进葡萄糖转化，降低IR，改善T2DM及并发症[38]。

人和动物体内主要有两种脂肪细胞，白色脂肪细胞线粒体少、代谢率较低；而棕色脂肪细胞线粒体丰富、代谢率相对较高，通过非耦合呼吸增加产热，对慢性代谢性疾病有改善作用[39，40]。近些年研究发现了第三种“米色”脂肪细胞，它可增加解偶联蛋白1（uncoupling protein 1，UCP1）的表达和线粒体的生物活性[41-43]。鸢尾素可以通过激活p38/MAPK 和细胞外调节蛋白激酶（extracellular- signal regulated kinase，ERK）促进白色脂肪细胞中UCP1 表达[28]，UCP1 可增强线粒体代谢，促进产热，增加能量消耗，并促进白色脂肪细胞褐变[44]。采用重组irisin处理原代人骨骼肌细胞后，葡萄糖和脂肪酸的摄取量增加了30%～40%，与胰岛素作用效果相似。在作用6 h 后，GLUT4、己糖激酶2（hexokinase 2，HK2）和过氧化物酶体增殖物激活 受 体α （peroxisome proliferator activated receptorsα，PPARα） 的 基因表达上调30%～80%[45]。PPARα、HK2、GLUT4等基因表达增加可促进骨骼肌的葡萄糖摄取、脂肪摄取及代谢。除此之外，鸢尾素还促进解偶联蛋白3（uncoupling protein 1，UCP3）的表达，提高线粒体的生物功能，增加糖氧化代谢[46]。鸢尾素不仅可以通过PI3K-Akt-叉头盒转录因子O1（forkhead box O1，FoxO1）通路下调磷酸烯醇丙酮酸羧激酶1 （Phosphoenolpyruvate carboxykinase 1，PCK1） 和葡萄糖-6-磷酸酶催化亚基（glucose-6-phosphatase catalytic subunit，G6PC）表达，降低糖异生，还可以通过PI3K-Akt-糖原合酶激酶3（glycogen synthase kinase 3，GSK3）途径增强糖原合成，从而降低血糖浓度[47]。除此之外，鸢尾素还可以通过下调核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）、TNF-α、IL-6等炎性细胞因子抑制ROS合成，减少脂毒性，降低IR[34，48]。

4 运动与鸢尾素

目前普遍认为肌肉也是一种内分泌器官，运动促进肌肉分泌上百种因子，并进入循环系统激活多条信号通路，调节机体代谢功能[49]。鸢尾素是其中重要的一种肌肉因子，循环血中75%的鸢尾素都来自于骨骼肌[36]。运动通过激活AMPK 上调PGC-1α表达，促进FNDC5/irisin的合成和分泌[50-52]。

动物实验研究表明，不同类型的运动都能促进鸢尾素的分泌。8 周的游泳训练能显著增加肥胖大鼠血清鸢尾素水平[53]。除了血清外，运动还能增加骨骼肌中鸢尾素的蛋白水平。Kim等[54]报道，糖尿病大鼠在接受12 周的抗阻训练后，肌肉中鸢尾素水平明显升高。此外，小鼠在进行自主转轮运动后，骨骼肌中的PGC-1α mRNA和FNDC5 mRNA也明显增加[28]。PGC-1α可以促进FNDC5的合成，并经蛋白水解酶剪切形成鸢尾素，这提示运动促进鸢尾素分泌依赖PGC-1α的表达[28]。

在人类实验中也观察到相似的结果。Kraemer 等[55]报道，身体健康的受试者以60% VO2max的强度完成90分钟的跑步，运动过程中第54分钟的血清鸢尾素水平增加了20.4%（男性）和20.3%（早期卵泡期女性）以及24.6%（黄体中期女性）。运动也能增加肥胖患者体内鸢尾素水平。在接受一年运动和生活方式干预后，肥胖儿童血清鸢尾素水平明显升高[56]。Nygaard等[57]进一步研究表明鸢尾素水平的升高依赖于PGC-1α的表达增加，健康受试者在接受单次的力量和耐力练习后，骨骼肌中PGC-1α的表达分别增加了3.5 ±0.9 倍和2.1 ± 0.8 倍，血浆鸢尾素水平也都明显升高，且力量训练血浆鸢尾素水平升高的幅度略高于耐力训练。在某些病理情况下，运动能够缓解鸢尾素分泌不足现象。Norheim 等[50]研究发现，长期的力量和耐力综合训练可增加男性骨骼肌中FNDC5 mRNA表达，而相比对照组糖尿病前期组显示出了更高的FNDC5 mRNA表达。

5 鸢尾素在运动改善胰岛素抵抗中的作用机制

5.1 运动-鸢尾素-AMPK与胰岛素抵抗

运动可促进鸢尾素的合成与分泌，鸢尾素通过激活AMPK信号通路改善胰岛素敏感性（图1）。Zhang等[58]研究发现，肥胖大鼠进行8 周的跑台运动干预后，其骨骼肌中PGC-1α mRNA、FNDC5 mRNA、AMPK mRNA 及AMPK 的磷酸化水平均显著提高。Yang 等[59]对高脂饮食诱导的肥胖大鼠实施运动干预后，腓肠肌中AMPK的磷酸化水平显著提高，同时骨骼肌中PGC-1α和鸢尾素蛋白水平也增加，肥胖症状改善。鸢尾素通过促进AMPK 磷酸化激活AMPK 下游信号系统，从而上调PPARα、HK2、GLUT4 等促进糖、脂分解代谢的基因表达，降低PCK1、肌型糖原磷酸化酶（muscletype glycogen phosphorylase，PYGM）、G6PC 等促进葡萄糖生成的基因表达[45]。因此，鸢尾素/AMPK 通路是运动改善IR的重要分子机制。

图1 Irisin在运动改善胰岛素抵抗中作用的机制

5.2 运动-鸢尾素-p38/MAPK与胰岛素抵抗

研究报道，4周的跑台运动显著增加大鼠比目鱼肌中PGC-1α及FNDC5 蛋白表达水平，并且白色脂肪中的p38/MAPK 蛋白表达也显著升高[60]。鸢尾素可以通过促进p38/MAPK 磷酸化诱导GLUT4 移至肌细胞膜，提高骨骼肌对葡萄糖的摄取[61]。p38/MAPK 还调控糖尿病患者的细胞炎症反应过程[11]，从而降低IR，增加骨骼肌的葡萄糖摄取，改善T2DM 症状。因此，运动通过增加PGC-1α的表达促进鸢尾素分泌，从而激活p38/MAPK通路，在改善IR中发挥重要作用。

5.3 运动-鸢尾素-UCP1通路与胰岛素抵抗

有研究发现，持续90 min 的急性游泳运动可促进小鼠骨骼肌中FNDC5 蛋白表达增加，并且皮下脂肪UCP1 的蛋白水平也显著增加[62]。UCP1 可促进白色脂肪棕色化，改善IR 症状[28]。褐变后的棕色脂肪组织（brown adipose tissue，BAT）对葡萄糖的摄取量是白色脂肪组织（white adipose tissue，WAT）的10 倍，葡萄糖摄取量的增加主要是棕色/米色脂肪细胞中GLUT4 表达增加所致[63]。有研究报道，运动可明显增加小鼠WAT的鸢尾素和UCP1的表达，增加脂肪分解，减少脂毒性，改善IR[28]；而且，鸢尾素还可通过环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）-蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）-激素敏感性脂肪酶（hormone sensitive lipase，HSL）/脂滴包被蛋白（perilipin，PLIN）途径促进脂解作用，减少脂质堆积[64]。随着WAT 的褐变及脂质堆积的减少，其脂毒性和线粒体生物功能也得到了改善，进一步提高小鼠的胰岛素敏感性[65]。

5.4 运动-鸢尾素-糖异生与炎症反应

运动通过上调骨骼肌PGC-1α表达促进鸢尾素分泌，并进入循环系统调节其他组织生理功能，肝细胞是其重要靶点之一。鸢尾素对肝细胞有着重要调节作用，通过多条信号通路调节肝细胞中IR[34，47]。在IR 的小鼠原代肝细胞培养中，鸢尾素可通过PI3K-AKTFoxO1 下调PCK1 和G6PC 减少糖异生作用；又通过PI3K-AKT-GSK3 刺激糖原合成[47]，从而使血糖水平降低，改善因胰岛素受体底物磷酸化受损而抑制的下游通路功能。Irisin还降低TNF-α、IL-1β、IL-6等促炎细胞因子水平，从而减少肝细胞炎症反应[48]（图1）。有研究报道，肥胖小鼠脂肪组织中TNF-α水平表达增加，并出现IR，而缺乏TNF-α及其受体的肥胖小鼠，其胰岛素敏感性显著升高[66]。研究发现，IL-6、IL-1β和白细胞介素-1α（interleukin-1α，IL-1α）等促炎细胞因子都参与IR 的发病机制[67-69]，并且肥胖小鼠在采用抗炎性因子药物干预后，胰岛素敏感性明显增加[66]。TNF-α、IL-6、IL-1β等炎性细胞因子主要导致IRS-1磷酸化受损[70]，而IRS-1 的磷酸化受损则会导致PI3K/AKT 下游信号通路抑制，从而引发IR[14]。因此，运动通过鸢尾素减少细胞炎症反应，从而提高胰岛素受体底物的磷酸化水平，减少糖异生，增强胰岛素受体敏感性[48，70]。

6 总结与展望

既往大量研究在揭示运动降低胰岛素抵抗的作用方面已取得重要进展，但其中的具体分子机制还不清楚。近些年的研究证据表明，鸢尾素可诱导多条信号通路改善脂毒性，炎症，糖、脂代谢及线粒体的生物功能，从而改善IR，这为揭示运动和胰岛素抵抗的相关机制提供了新的视角。然而，由于鸢尾素的受体（αV/β 5 integrin）只在骨组织中有报道，而在其它组织中尚未发现，因此，鸢尾素调控分子信号通路改善IR 的机制还有待进一步研究来阐明，此问题的解决将为运动、鸢尾素和胰岛素抵抗之间的调节机制提供新证据，可能为治疗或预防IR提供更有效的措施[71]。