王倩 傅力天津醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)與病理生理學(xué)系（天津300070）

鞘氨醇激酶
——運(yùn)動(dòng)改善胰島素抵抗的新靶點(diǎn)

王倩 傅力
天津醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)與病理生理學(xué)系（天津300070）

隨著生活水平的日益提高，肥胖、2型糖尿?。═ype 2 Diabetes Mellitus，T2DM）等代謝性疾病發(fā)病率逐年上升，胰島素抵抗（Insulin Resistance，IR）是諸多代謝性疾病的共同病理生理基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)通過(guò)提高機(jī)體外周組織代謝水平而顯著改善IR已被廣泛應(yīng)用于代謝性疾病的防治。近年來(lái)，鞘氨醇激酶（Sphingosine kinases，SK）作為機(jī)體脂代謝的重要調(diào)控蛋白受到了廣泛關(guān)注，其催化鞘氨醇（Sphingosine）合成鞘氨醇-1-磷酸（Sphingosine-1-Phosphate，S1P），SK及其S1P在運(yùn)動(dòng)調(diào)控機(jī)體脂代謝從而改善IR的過(guò)程中發(fā)揮舉足輕重的作用。本文對(duì)近年來(lái)有關(guān)SK及其催化產(chǎn)物S1P在運(yùn)動(dòng)改善機(jī)體IR過(guò)程中的作用研究加以綜述，為揭示運(yùn)動(dòng)防治IR機(jī)制提供新的研究靶點(diǎn)。

鞘氨醇激酶；運(yùn)動(dòng)；胰島素抵抗

鞘氨醇是構(gòu)成細(xì)胞膜主要成分——鞘磷脂的衍生物，SK廣泛表達(dá)于哺乳動(dòng)物組織中，具有催化合成S1P的作用。S1P是一種具有廣泛生物學(xué)功能的溶血磷脂，在機(jī)體代謝過(guò)程中發(fā)揮重要作用。IR是眾多代謝性疾病的生理基礎(chǔ)，運(yùn)動(dòng)通過(guò)增加組織細(xì)胞能量代謝可顯著改善機(jī)體組織IR癥狀。最新研究表明，SK對(duì)機(jī)體組織胰島素敏感性的調(diào)節(jié)起著重要作用[1]，SK及S1P在運(yùn)動(dòng)改善IR中具有重要意義，為IR的臨床防治提供新的治療靶點(diǎn)和思路。

1 SK及S1P概況

SK是調(diào)控細(xì)胞脂代謝的重要激酶，對(duì)維持細(xì)胞S1P、鞘氨醇以及神經(jīng)酰胺的動(dòng)態(tài)平衡具有重要作用。研究表明，SK在心血管系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，同時(shí)在腫瘤、炎癥反應(yīng)及糖尿病等多種疾病的發(fā)病過(guò)程中也發(fā)揮作用[2]。在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)SK以兩種亞型形式存在：SK1和SK2，但是二者的表達(dá)部位有所不同。SK1在肺、脾、腎和血液中呈現(xiàn)高表達(dá)，在骨骼肌細(xì)胞也有所表達(dá)；而SK2主要在肝、腎和心臟中表達(dá)[3]。除此之外，SK1和SK2兩者在生化特點(diǎn)以及生理功能方面也存在差異。研究已經(jīng)證實(shí)，SK1 和SK2在蛋白結(jié)構(gòu)上均包括5個(gè)保守區(qū)域（C1-C5），其中在C1-C3區(qū)域內(nèi)形成催化區(qū)域，而C2則是ATP結(jié)合區(qū)域[4]。研究表明，SK1/2都可以以多種剪接體的形式表達(dá)，雖然各種剪接體之間具體的功能性差異尚未完全明了，但是通常最短的剪接體被用作研究（SK1a，NM-001142601/SK2a，AF245447），其中SK1a的長(zhǎng)度為384個(gè)氨基酸，SK2a為654個(gè)氨基酸長(zhǎng)度[3]。

高脂飲食誘導(dǎo)產(chǎn)生的小鼠IR模型中甘油二酯（Di?acylglycerol，DAG）和甘油三酯（Triacylglycerols，TAG）均顯著增加，是機(jī)體組織脂質(zhì)代謝紊亂的標(biāo)志，而與之相伴的是組織SK表達(dá)的減少，提示SK在DAG和TAG的代謝中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，但其中的調(diào)節(jié)機(jī)制尚不完全清楚。細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)酰胺的積聚會(huì)阻滯胰島素信號(hào)通路，進(jìn)而導(dǎo)致IR的發(fā)生，而SK正是對(duì)細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)酰胺的清除發(fā)揮重要作用[5]。神經(jīng)酰胺是重要的脂質(zhì)信號(hào)分子，通過(guò)阻滯胰島素對(duì)信號(hào)通路中蛋白激酶B（Pro?tein Kinase B，PKB）的作用，抑或通過(guò)c-jun氨基末端激酶（c-jun amino terminal kinase，JNK）信號(hào)通路的激活進(jìn)而引起IR的發(fā)生[6]。另外，通過(guò)抑制神經(jīng)酰胺以及鞘氨醇的從頭合成使二者的表達(dá)減少對(duì)阻止IR的發(fā)展具有重要作用[6]。這個(gè)發(fā)現(xiàn)也進(jìn)一步佐證了神經(jīng)酰胺和鞘氨醇對(duì)IR的發(fā)展具有促進(jìn)作用這一假說(shuō)，而在神經(jīng)酰胺和鞘氨醇代謝中最為重要的兩種酶當(dāng)屬神經(jīng)酰胺酶（Ceramidase）和SK，神經(jīng)酰胺酶催化神經(jīng)酰胺形成鞘氨醇，SK進(jìn)一步磷酸化鞘氨醇形成S1P這一具有多種生物學(xué)活性的物質(zhì)[7]。

SK表達(dá)于多種組織細(xì)胞類型中，在受到多種胞外刺激的情況下維持SK-S1P動(dòng)態(tài)平衡。SK1通常分布于胞漿中，以依賴于鈣-整合素結(jié)合蛋白1（Calcium and integrin-binding protein 1，CIB1）的方式轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜上[8]。除此之外，SK1還可以通過(guò)依賴Ca2+的細(xì)胞外信號(hào)調(diào)控激酶（Extracellular signal-regulated kinases，ERK1/2）途徑激活[9]；而SK2主要分布在細(xì)胞核中，在蛋白激酶D（Protein Kinase D，PKD）的作用下完成出核，在胞漿中磷酸化鞘氨醇形成S1P。SK2除了分布于細(xì)胞核中，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及線粒體中均有所分布[10]。

SK以依賴ATP的方式合成具有多種生物活性的S1P，S1P同樣在機(jī)體中發(fā)揮廣泛的生物學(xué)作用，包括調(diào)控細(xì)胞膜的滲透性、參與血管生成、免疫細(xì)胞的遷移以及維持血屏障的完整性和血管緊張度等，同時(shí)是細(xì)胞內(nèi)重要的第2信使[11]。S1P有5個(gè)特異的G蛋白偶聯(lián)受體（S1P1～S1P5），與它們相互作用進(jìn)而激活多個(gè)下游信號(hào)通路，通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用隨其受體從細(xì)胞釋放進(jìn)入血液循環(huán)到達(dá)多個(gè)靶位置。細(xì)胞內(nèi)具有多個(gè)S1P的靶蛋白，包括組蛋白去乙酰化酶（HDAC）、過(guò)氧化物酶增殖物激活受體γ（Peroxisome proliferator-activated re?ceptor γ，PPARγ）和人類的端粒反轉(zhuǎn)錄酶（tHERT）等[12]。S1P和神經(jīng)酰胺具有相反的生物學(xué)功能，S1P具有增殖、遷移、維持細(xì)胞生存的作用，而神經(jīng)酰胺則促進(jìn)細(xì)胞凋亡、衰老以及生長(zhǎng)阻滯。因此，有人建議將S1P-神經(jīng)酰胺比作細(xì)胞內(nèi)的鞘脂“變阻器”[13]，盡管該“變阻器”與各種代謝性疾病的關(guān)聯(lián)尚未完全清楚，但其顯然在調(diào)控機(jī)體胰島素功能方面具有重要作用。

2 SK在有氧運(yùn)動(dòng)改善IR中的作用

IR是肥胖以及T2DM等眾多代謝性疾病的病理生理基礎(chǔ)，其致病機(jī)理得到了廣泛研究，但是具體的分子機(jī)制尚不清楚，而肝臟和骨骼肌組織中游離脂肪酸（Free Fatty Acid，F(xiàn)FA）的代謝障礙和脂質(zhì)堆積在IR致病過(guò)程中發(fā)揮主要作用這一觀點(diǎn)已被廣泛認(rèn)可。SK的作用底物鞘氨醇在細(xì)胞漿內(nèi)堆積會(huì)導(dǎo)致TAG表達(dá)水平的提高，而TAG的增加被認(rèn)為是脂肪酸代謝紊亂的標(biāo)志。骨骼肌以及肝臟組織中神經(jīng)酰胺的積聚可以阻滯細(xì)胞胰島素信號(hào)通路，降低組織細(xì)胞對(duì)胰島素的敏感性，是誘發(fā)IR的重要因素之一[14]。研究已證實(shí)，鞘磷脂、TAG和神經(jīng)酰胺的積累與肥胖和T2DM共同的病理生理基礎(chǔ)IR相關(guān)。研究表明，飼喂高脂飼料的小鼠肝臟中SK1 mRNA表達(dá)水平較喂飼正常飼料的小鼠降低了50%，然而SK2mRNA的表達(dá)卻無(wú)顯著性差異[15]。同時(shí)，在肝細(xì)胞中過(guò)表達(dá)SK1會(huì)導(dǎo)致甘油三酯表達(dá)水平比正常細(xì)胞降低50%。與正常小鼠相比，喂飼高脂飼料的SK1轉(zhuǎn)基因小鼠的IR癥狀并沒(méi)有得到改善，這是由于甘油二酯的堆積也是誘發(fā)IR發(fā)生的因素，而SK1的過(guò)表達(dá)對(duì)肥胖小鼠骨骼肌組織甘油二酯的清除并無(wú)顯著作用[15]。

與正常小鼠相比，高水平表達(dá)SK1的小鼠骨骼肌組織中S1P的表達(dá)只會(huì)輕度增加，而低水平表達(dá)SK1的小鼠骨骼肌細(xì)胞S1P的表達(dá)幾乎與正常小鼠沒(méi)有差異。除此之外，SK1顯性負(fù)突變形式的過(guò)表達(dá)會(huì)顯著促進(jìn)棕櫚酸誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[15]。在高脂飲食誘導(dǎo)的IR小鼠模型中，過(guò)表達(dá)野生型SK1會(huì)導(dǎo)致骨骼肌組織中SK1表達(dá)水平的升高，從而使胰島素敏感性提高，伴隨而來(lái)的是神經(jīng)酰胺的減少，而神經(jīng)酰胺已被證實(shí)可誘導(dǎo)機(jī)體IR的發(fā)生[6]。鞘氨醇代謝中重要的兩種酶——神經(jīng)酰胺酶和SK在運(yùn)動(dòng)后的表達(dá)情況尚未得到證實(shí)，但是研究表明，有氧運(yùn)動(dòng)會(huì)減少骨骼肌組織中神經(jīng)酰胺的表達(dá)水平，急性運(yùn)動(dòng)會(huì)顯著增加血清神經(jīng)酰胺的含量，恢復(fù)期回復(fù)到正常水平[16]。研究表明，在過(guò)表達(dá)SK1的骨骼肌細(xì)胞中，AKT-絲氨酸473位點(diǎn)的磷酸化形式會(huì)明顯增加，提示SK1可以顯著提高胰島素敏感性，改善IR癥狀。由于SK1的上游是與Ca2+釋放相關(guān)的CIB-1，所以推測(cè)運(yùn)動(dòng)可能會(huì)通過(guò)SK1從而改善IR。

作為SK1的同源物，SK2能夠促進(jìn)肝臟組織脂肪酸氧化基因表達(dá)水平上調(diào)，從而導(dǎo)致脂肪酸氧化增加，進(jìn)而減少肝臟組織中脂滴的堆積[1]。但是，研究表明，SK2的藥理抑制劑并不能改變脂肪酸的代謝，提示SK2在調(diào)控脂代謝中可能存在代償機(jī)制[1]。SK2在IR研究中多和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（Endoplasmic Reticulum stress，ER Stress）聯(lián)系在一起，眾所周知，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)合成脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的重要細(xì)胞器，是蛋白折疊以及保證蛋白質(zhì)正確分選的關(guān)鍵，但是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能的紊亂導(dǎo)致不正確折疊蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的堆積，細(xì)胞即會(huì)啟動(dòng)對(duì)非正確折疊蛋白質(zhì)的應(yīng)答（Unfolded Protein Response，UPR），從而引起ER Stress，ER Stress也是誘發(fā)IR的關(guān)鍵[17]。研究表明，高脂飲食誘導(dǎo)的IR小鼠模型中，SK2在骨骼肌以及肝臟組織中的表達(dá)均下降，與此伴隨的是UPR標(biāo)記蛋白sXBP1表達(dá)顯著增加，但是UPR的另一標(biāo)記蛋白ATF4的表達(dá)卻表現(xiàn)為下降[16]，其中的機(jī)制尚不清楚。與野生型小鼠相比，通過(guò)尾靜脈注射SK2造成的過(guò)表達(dá)SK2小鼠模型中，骨骼肌細(xì)胞AKT-絲氨酸473位點(diǎn)的磷酸化水平顯著增加，但AKT總蛋白表達(dá)水平并無(wú)顯著改變，同時(shí)AKT上游胰島素受體底物（Insulin Receptor Substrate，IRS）磷酸化水平并未受到影響，提示SK2可能直接作用于AKT從而影響細(xì)胞胰島素信號(hào)通路。SK2上游是有氧運(yùn)動(dòng)所激活的蛋白激酶D（Protein Kinase D，PKD）[9]，因此，推測(cè)有氧運(yùn)動(dòng)可顯著增加骨骼肌組織SK2的表達(dá)水平。

3 S1P在運(yùn)動(dòng)改善IR中的作用

循環(huán)血液中含有多種脂質(zhì)及其衍生物，過(guò)高水平的脂質(zhì)及其衍生物隨血液循環(huán)于全身并在骨骼肌、肝臟、脂肪組織中蓄積，從而誘發(fā)機(jī)體IR的發(fā)生。而S1P作為這些脂質(zhì)及其衍生物的下游產(chǎn)物，對(duì)于減少機(jī)體組織脂質(zhì)堆積、改善組織細(xì)胞IR具有重要作用[18]。研究證實(shí)，有氧運(yùn)動(dòng)能夠顯著增加骨骼肌細(xì)胞S1P的釋放。細(xì)胞外的S1P可作用于骨骼肌細(xì)胞，激活其衛(wèi)星細(xì)胞，進(jìn)而刺激成肌細(xì)胞的分化。在骨骼肌細(xì)胞受損的情況下，S1P具有促進(jìn)細(xì)胞修復(fù)的功能，在骨骼肌細(xì)胞應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)等刺激時(shí)S1P維持其正常生理功能，并對(duì)骨骼肌細(xì)胞發(fā)揮營(yíng)養(yǎng)作用，另外它也可以影響骨骼肌收縮-舒張偶聯(lián)作用從而緩解肌肉疲勞[19]。人群試驗(yàn)表明，有氧運(yùn)動(dòng)能夠增加受試者血清S1P的表達(dá)水平，受試對(duì)象進(jìn)行60分鐘65%最大攝氧量（VO2max）的運(yùn)動(dòng)后，血清中S1P的含量較安靜狀態(tài)下增加了40%，這種增加作用一直持續(xù)到運(yùn)動(dòng)結(jié)束后30分鐘，而在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后24小時(shí)，血清S1P水平恢復(fù)到安靜狀態(tài)水平[20]?？棺柽\(yùn)動(dòng)也能夠提高血清以及骨骼肌組織中S1P的表達(dá)水平；而力竭運(yùn)動(dòng)后，S1P含量增加的同時(shí)卻也伴隨著鞘氨醇表達(dá)水平的提高，其中的機(jī)制尚不清楚，推測(cè)可能與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度及運(yùn)動(dòng)時(shí)間有關(guān)。已有研究證實(shí)，骨骼肌組織中S1P的表達(dá)水平與運(yùn)動(dòng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度成正比，而血漿中S1P的表達(dá)水平僅在大強(qiáng)度（85%～90%VO2max）運(yùn)動(dòng)后出現(xiàn)增加趨勢(shì)[21]。

4 總結(jié)和展望

SK作為機(jī)體脂代謝過(guò)程中重要的調(diào)節(jié)酶，能夠降低神經(jīng)酰胺、TAG等脂質(zhì)表達(dá)水平，在有氧運(yùn)動(dòng)改善IR中發(fā)揮重要作用，其產(chǎn)物S1P更是機(jī)體組織細(xì)胞中重要的“第二信使”，通過(guò)和5個(gè)G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合，激活下游多個(gè)信號(hào)通路，對(duì)細(xì)胞增殖、分化、遷移以及維持細(xì)胞生存發(fā)揮重要作用，在改善組織細(xì)胞IR過(guò)程中亦發(fā)揮重要作用，可能是臨床治療IR的又一新靶點(diǎn)。但目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于SK及其催化產(chǎn)物S1P在運(yùn)動(dòng)改善機(jī)體IR過(guò)程中的調(diào)節(jié)機(jī)制尚未明了，需要對(duì)此進(jìn)行深入的研究。

[1] Lee SY，Hong IK，Kim BR，et al.Activation of sphingosine ki?nase 2 by endoplasmic reticulum stress ameliorates hepaticste?atosis and insulin resistance in mice.Hepatology，2015，62 （1）：135-146.

[2] Pyne S，Adams DR，Pyne NJ.Sphingosine-1-phosphate and sphingosine kinases in health and disease：Recent advances. Prog Lipid Res，2016，62：93-106.

[3] Billich A，Bornancin F，Devay P，et al.Phosphorylation of the immunomodulatory drug FTY720 by sphingosine kinases.J Biol Chem，2003，278（48）：47408-47415.

[4] Pitson SM，Moretti PA，Zebol JR，et al.The nucleotide-bind?ing site of human sphingosine kinase 1.J Biol Chem，2002，277（51）：49545-49553.

[5] Kowalski GM，Kloehn J，Burch ML，et al.Overexpression of sphingosine kinase 1 in liver reduces triglyceride content in mice fed a low but not high-fat diet.Biochim Biophys Acta，2015，1851（2）：210-219.

[6] Bruce CR，Risis S，Babb JR，et al.Overexpression of sphingo?sine kinase 1 prevents ceramide accumulation and amelio? rates muscle insulin resistance in high-fat diet-fed mice.Dia?betes，2012，61（12）：3148-3155.

[7] Hannun YA，Obeid LM.Principles of bioactive lipid signal?ling：lessons from sphingolipids.Nat Rev Mol Cell Bio，2008，9（2）：139-150.

[8] Jarman KE，Moretti PA，Zebol JR，et al.Translocation of sphingosine kinase 1 to the plasma membrane is mediated by calcium-and integrin-binding protein 1.J Biol Chem，2010，285（1）：483-492.

[9] Hait NC，Bellamy A，Milstien S，et al.Sphingosine kinase type 2 activation by ERK-mediated phosphorylation.J Biol Chem，2007，282（16）：12058-12065.

[10] Ding G，Sonoda H，Yu H，et al.Protein kinase D-mediated phosphorylation and nuclear export of sphingosine kinase 2.J Biol Chem，2007，282（37）：27493-27502.

[11] Blaho VA，Hla T.An update on the biology of sphingosine 1-phosphate receptors.J Lipid Res，2014，55（8）：1596-1608.

[12] Panneer Selvam S，De Palma RM，Oaks JJ，et al.Binding of the sphingolipid S1P to hTERT stabilizes telomerase at the nu?clear periphery by allosterically mimicking protein phosphory?lation.Sci Signal，2015，8（381）：ra58.

[13] Cuvillier O，Pirianov G，Kleuser B，et al.Suppression of ce?ramide-mediated programmed cell death by sphingosine-1-phosphate.Nature，1996，381（6585）：800-803.

[14] Mik?osz A，?ukaszuk B，Baranowski M，et al.Effects of inhibi?tion of serine palmitoyltransferase（SPT）and sphingosine ki?nase 1（SphK1）on palmitate induced insulin resistance in L6 myotubes.PLoS One，2013，8（12）：e85547.

[15] Kowalski GM，Kloehn J，Burch ML，et al.Overexpression of sphingosine kinase 1 in liver reduces triglyceride content in mice fed a low but not high-fat diet.Biochimica et Biophysica Acta，2015，1851（2）：210-219.

[16] Bergman BC，Brozinick JT，Strauss A，et al.Serum sphingolip?ids：relationships to insulin sensitivity and changes with exer?cise in humans.Am J Physiol Endocrinol Metab，2015，309 （4）：E398-E408.

[17] Schroder M，Kaufman RJ.The mammalian unfolded protein response.Annu Rev Biochem，2005，74：739-789.

[18] Summers SA.Sphingolipids and insulin resistance：the five Ws.Curr Opin Lipid，2010，21（2）：128-135.

[19] Blachnio-Zabielska A，Baranowski M，Zabielski P，et al.Ef?fect of exercise duration on the key pathways of ceramide me?tabolism in rat skeletal muscles.J Cell Biochem，2008，105 （3）：776-784.

[20] Baranowski M，Charmas M，D?ugo?e B，et al.Exercise increas?es plasma levels of sphingoid base-1-phosphates in humans. Acta Physiol，2011，203（3）：373-380.

[21] Baranowski M，B?achnio-Zabielska AU，Charmas M，et al.Exer?cise increases sphingoid base-1-phosphate levels in human blood and skeletal muscle in a time-and intensity-dependent manner.EurJApplPhysiol，2015，115（5）：993-1003.

2016.06.04

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31571220，31671237）資助

傅力，Email：lifu@tmu.edu.cn