肌生成抑制素在2型糖尿病合并动脉粥样硬化中的研究进展

董俐 罗晓红 牛小娟

糖尿病和动脉粥样硬化性心血管疾病的流行已成为现今全球健康问题的重中之重。研究表明，肌肉量减少、脂肪增多及胰岛素抵抗(IR)均与糖尿病及动脉粥样硬化进展有关[1]。肌生成抑制素(myostatin，Mstn)是在肌肉组织中表达的一种分泌性生长因子，对骨骼肌具有负调节作用[2-3]。Mstn可参与并激活转化生长因子β(transforming growth factorβ, TGF-β)信号传导，通过调节NF-κB、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)等信号通路调控骨骼肌生长、分化，并参与糖代谢、脂代谢，此过程涉及多种生理机制，如内皮损伤、氧化应激、炎症反应及免疫调节[4-5]。近期大量研究表明，Mstn与糖尿病及心血管疾病风险呈正相关[6]。在动物实验中，破坏小鼠的Mstn基因不仅能够改善全身胰岛素敏感性，而且能够通过减少肝动脉粥样硬化性脂蛋白的过度分泌来对抗高脂血症，延缓动脉粥样硬化的发展。本文就Mstn在T2DM及动脉粥样硬化中的作用研究进行综述。

1 Mstn的概况

1.1 Mstn的发现与基因结构 Mstn是1997年由Mcphemrn等[2]从小鼠骨骼肌cDNA文库中通过克隆得到的TGF-β超蛋白家族的新成员，又被称为生长/分化因子8(growth and differentiation factor 8, GDF-8)。人类Mstn于1998年实现首次克隆，常以二聚体复合物的形式出现，基因位于染色体2q33.2，由3个外显子和2个内含子组成，全长约7.7 kb，含375个氨基酸，蛋白分子量为45～55 ku[7]。受Mstn影响的基因组区域称为Callipyge基因座，在人类中也称为14q32基因座[8]。

Mstn作为TGF-β超家族中的激活素/Mstn亚群，同其他家族成员的成熟结构域信号约有90%的相同性，但Mstn基因C端氨基酸序列相对更短。Lee等[9]对人、鼠、牛等多种动物的Mstn基因进行克隆测序后，得出了在进化过程中Mstn呈高度同源保守性的结论。

1.2 Mstn的调控及生物学作用 Mstn主要通过激活特定的激活素RⅡB受体(activin type ⅡB receptor, ACTRⅡB)来抑制成肌干细胞中表达的蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(Akt/mTOR)通路并促进成肌细胞增殖而产生生物学效应[10]，其表达主要受叉头框转录因子O(forkhead box transcription factor O, FoxO)的影响。相关文献指出，Mstn可通过抑制IGF-I/P13K/Akt骨骼肌增生通路使肌肉萎缩[11]。在该过程中，Mstn可通过抑制Akt的磷酸化提高FoxO的活性，进而激活泛素蛋白水解系统，增强肌肉萎缩基因的表达。另外，FoxO1可通过结合Mstn启动子区域来增强启动子活性，诱导Mstn表达量增加，同时使得连接有Mstn启动子的荧光素酶载体的活性增强，进一步抑制成肌细胞的分化[12]。

近期研究表明，除骨骼肌和心肌外，Mstn也存在于脂肪、心脏及脑等多种组织器官中，并与多种疾病的发生相关[1]。目前Mstn的生物学作用主要涉及以下几个方面：(1)参与糖代谢，抑制其表达对IR具有改善作用。Mstn可能通过以下两种方式参与糖代谢调节：一是肌肉质量低很可能导致葡萄糖处理能力下降，IR加剧[5-6]；二是通过TNF-α等炎症因子影响胰岛细胞和脂质代谢干预血糖[4]。(2)Mstn的缺失可延缓动脉粥样硬化血脂异常和动脉粥样硬化的发展[1]。有研究表明，心脏器质性病变及心力衰竭病人血浆Mstn浓度明显增高[13]。(3)参与脂质代谢[14]。(4)抑制肌肉生长[2]。

2 Mstn与T2DM

动物研究发现，敲除Mstn基因能够增加肌肉质量，减少脂肪量，并改善IR[15]。后续研究认为，Mstn基因敲除诱导的肌肉增加和脂肪减少与葡萄糖利用率和胰岛素敏感性升高有关[16]。此外，在人类和小鼠模型研究中，肌肉和血浆中的Mstn水平升高与肥胖以及1型糖尿病和T2DM均有关。但是Mstn对葡萄糖代谢影响的体外研究结果是矛盾的。有研究发现，Mstn可抑制胎盘细胞系中的葡萄糖摄取，但Antony等[17]发现使用人胎盘提取物可增加葡萄糖摄取。

T2DM的发病机制复杂，一般认为与IR、胰岛B细胞分泌功能受损、肝糖分泌过多等有关，前两者被认为是T2DM的病理生理基础，其中IR与骨骼肌质量相关[18]。导致IR的可能机制有：(1)炎症反应。“T2DM是一种慢性炎性反应性疾病”这一观点已得到普遍认可。(2)胰岛素信号通路受损。具体涉及蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)、SH3GL2蛋白(src homlogy 3-donain growth factor receptor or-bound 2-like, SH3GL2)等一系列具有调控胰岛信号转导的蛋白[19]。

Mstn影响葡萄糖代谢的机制可能归因于以下两点。一是肌肉组织本身。在正常人群中，骨骼肌对葡萄糖的清除率可达80%，且骨骼肌是体内最大的糖原储备库和胰岛素敏感性组织，故骨骼肌质量与T2DM密切相关[20]。在相关研究中，仅抑制骨骼肌中的Mstn信号传导而不干预脂肪代谢，胰岛素敏感性有明显改善[21]。Mstn可作为氧化剂，通过NF-κB和NADPH氧化酶的TNF-α信号传导在骨骼肌细胞中产生活性氧(ROS)诱导氧化应激[13]。二是可能通过炎性因子，比如TNF-α等干预血糖调节。有研究发现，大量TNF-α可破坏胰岛B细胞直接诱发IR导致糖尿病，同时，TNF-α还具有促进脂肪分解的作用，进而引起血浆游离脂肪酸水平升高，诱发高胰岛素血症与IR[20]。Wilkes等[13]在研究小鼠Mstn基因表达与IR的实验中发现，Mstn的产生可能导致TNF-α等炎性反应因子增多，促进脂质在肝脏中储存并诱导IR。此外，在该实验中，与对照小鼠相比，敲除Mstn基因的小鼠肌肉组织中Akt中的丝氨酸473的磷酸化水平显著增高。Akt是胰岛素的许多代谢作用所必需的多效激酶。Akt底物之一的糖原合成酶激酶3(glycogen synthase kinase 3, GSK3)中丝氨酸21/9的磷酸化水平也明显增高，这一现象进一步证实了Mstn的缺乏可以改善IR[21]。

3 Mstn与动脉粥样硬化

Joshua等[1]在验证Mstn缺失引起体质量增加、改善心脏性能和血管功能的假说时发现，Mstn的减少导致小鼠体内β-肾上腺素水平增高，冠状动脉和肌肉微循环中的小动脉扩张，而主动脉则不受影响。该研究认为Mstn的缺失部分模拟了运动对心血管功能的影响，显著增加了瘦肌肉的质量，并导致骨骼肌血管内皮依赖性的舒张增强[16]。这表明，肌肉质量增加可以充当针对心脏功能、β-肾上腺素能系统和血管内皮一氧化氮生物利用度导致的动脉粥样硬化的病理状态的缓冲。该研究确定了Mstn缺失对心血管系统的影响[1]，关键发现是：(1)Mstn缺失对基础代谢没有明显作用；(2)Mstn的缺失增加了左室短轴缩短率；(3)血管反应性增加，尤其是在肌肉发达者中，对血管内皮的刺激作用更显著。在探索急性心肌梗死(AMI)后GDF8与肌钙蛋白I峰值水平之间关系的过程中，Alexandre等[21]认为GDF8水平可以反映AMI期间的心肌损害程度，且GDF8失活是预防与缺血性心血管疾病发展相关的危险因素的潜在目标。

动脉粥样硬化是一种慢性炎性反应性疾病，特点是受累动脉的病变从血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)增殖并迁移形成新的内膜开始，先后有多种病变合并存在，VSMC、巨噬细胞等多种细胞参与该过程[22]。Mstn不仅在心肌细胞表达，而且在VSMC中表达，Eveline等[8]进一步证明，直接抑制Mstn基因区域的14q32 microRNA的表达，可减少血管内膜增生以及巨噬细胞浸润和粥样斑块形成，且可刺激新生血管形成。

Mstn与多种心血管危险因素相关，而高血压是动脉粥样硬化的主要危险因素之一[23]。在代谢综合征小鼠模型中，GDF8缺失导致肌肉量增加并阻止了血压升高，肌肉质量下降是肥胖引起心血管功能障碍的一种新的危险因素[24]。高脂血症是动脉粥样硬化的独立危险因素，Mstn的活性与载脂蛋白B100(ApoB100)、总胆固醇水平等呈正相关，破坏Mstn不仅改善了高脂饮食引起的脂肪积累，而且减少了肝动脉粥样硬化性脂蛋白的分泌，保护肝脏，对抗促动脉粥样硬化性血脂异常的发展[14-15,22]。

4 Mstn与T2DM合并动脉粥样硬化

目前已明确Mstn与糖尿病和动脉粥样硬化均相关，但与糖尿病合并心血管疾病的相关研究较少，其机制尚未阐明。Tu等[6]认为血脂异常发挥了重要作用。一方面，Mstn可能直接参与脂肪代谢，加快内皮细胞脂质沉积，同时可能会促使机体释放炎症因子损伤内皮，增加T2DM和动脉粥样硬化风险[1,14]。另一方面，胰岛素可以作为脂肪分解和肝脏极低密度脂蛋白(very low-density lipoprotein，VLDL)产生的重要调节剂[23]。当发生胰岛代谢功能紊乱时，血脂代谢出现异常，并导致高脂饮食的小鼠出现动脉粥样硬化[22]。肥胖的IR小鼠模型在出生后用中和抗体阻断Mstn，可显著改善葡萄糖波动，降低循环中的甘油三酯，并增加脂肪组织来源的细胞因子脂联素(adiponectin，APN)的循环浓度[25]。已知APN是唯一被证明与心血管疾病、代谢综合征及糖尿病呈负相关的脂肪因子[26]。LDL受体/Mstn双敲除小鼠的VLDL生成减少，脂质分布得到改善，表明缺乏Mstn似乎也可以保护LDL受体无效的小鼠免于血脂异常和动脉粥样硬化形成[15]。

糖尿病和动脉粥样硬化都可视为代谢综合征的表现，Mstn可作用于两种疾病发病机制的多个环节，其中与胰岛素代谢紊乱和炎症反应引起的内皮损伤关系密切，且高脂血症的作用越来越受到重视。提示Mstn与T2DM合并动脉粥样硬化的发病密切相关。

5 临床意义与展望

有多项研究表明，拮抗Mstn策略在肌少症、肥胖症等疾病中发挥作用。Mstn抑制剂在治疗老年人肌肉衰减综合征方面有重要作用，甚至有研究称Mstn抑制剂可以改变进行性假肥大性肌营养不良(progressive pseudo-hypertrophic muscular dystrophy，DMD)的表型[27]。使用Mstn抗体对肩袖撕裂后的肌萎缩、纤维化、脂肪浸润等肌肉退变有一定的抑制作用[28]。目前，对人使用Mstn抑制剂已显示出其在增加肌肉量和减少脂肪量方面的特异性、安全性和有效性[29-30]。

Mstn对T2DM及动脉粥样硬化的预防以及新的治疗方向上有着积极的意义。Mstn不仅可以抵抗皮下和内脏脂肪的蓄积及IR，还可以防止血脂异常以及延缓动脉粥样硬化的发展。这些研究展示了Mstn抑制剂可作为预防或治疗T2DM及动脉粥样硬化的有效药物的可能性。通过检测糖脂代谢异常病人血中的 Mstn水平，可以早期预测、识别心血管事件发生的高危病人，把 T2DM的干预提前到糖耐量减低(impaired glucose tolerance，IGT)阶段，同时为防治T2DM及糖尿病血管病变提供新的药物治疗靶向。因此，研究Mstn对人类的生理健康意义重大，可能有助于揭示糖尿病及动脉粥样硬化形成的机制，并可为防治糖尿病并发症及严重心血管事件提供新的方案。可通过检测肥胖人群Mstn水平，预测及预防T2DM及动脉粥样硬化，帮助肥胖病人找到有效的减肥方式，同时，Mstn抑制剂可能作为能够改善IR和阻止脂肪积累及延缓动脉粥样硬化进展的新型药物被广泛使用。虽然理论上Mstn应用前景广阔，但由于其作用机制尚不明确，且其抑制剂对人体的安全性尚有争议，故仍需进行进一步的研究来阐明及证实。