種珍珍胡玲

骨鈣素調(diào)節(jié)糖代謝的研究進(jìn)展

種珍珍①胡玲②

骨鈣素（OC）是由成骨細(xì)胞合成并分泌的骨特異性蛋白，是臨床中常用的骨轉(zhuǎn)換血清學(xué)指標(biāo)。近期研究表明，OC，尤其是羧化不全骨鈣素（ucOC）可通過促進(jìn)B細(xì)胞增殖、胰島素分泌及改善周圍組織對(duì)胰島素敏感性等途徑調(diào)節(jié)糖代謝。GPRC6A是骨鈣素在胰腺的受體，ESP基因與胰島素信號(hào)可調(diào)節(jié)骨鈣素的活性，進(jìn)而調(diào)節(jié)血糖水平。臨床研究也證實(shí)了OC調(diào)節(jié)糖代謝的作用。OC有望成為糖尿病和肥胖治療的新靶點(diǎn)。

骨鈣素； 羧化不全骨鈣素； 葡萄糖代謝

First-author's address：Shanxi Medical University，Taiyuan 030001，China

骨鈣素（osteocalcin OC）又稱骨-羧基谷氨酸蛋白（BGP），是由成骨細(xì)胞合成和分泌的一種特異的非膠原骨基質(zhì)蛋白。骨鈣素原在維生素K依賴羧化酶的作用下可羧化成7-羧基化谷氨酸（Gla），其具有很強(qiáng)的結(jié)合羥磷灰石的能力［1］。酸性條件下，OC分子中的Gla可以脫羧成為羧化不全骨鈣素（ucOC）［2］。

以往大量研究均證實(shí)，OC的主要功能和骨代謝相關(guān)，可維持骨的正常礦化速率，抑制生長(zhǎng)軟骨礦化的速度，從而維持正常骨量［3］；且證實(shí)血糖水平升高可影響骨代謝，降低骨轉(zhuǎn)換率，導(dǎo)致血清OC水平降低［4］，因此糖尿病患者骨質(zhì)疏松和骨折風(fēng)險(xiǎn)均明顯增加［5］。而近期動(dòng)物學(xué)研究及細(xì)胞學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了骨骼新的生理功能，即骨骼的內(nèi)分泌功能，證明了骨骼與能量代謝之間的相互作用。

1　骨鈣素對(duì)糖代謝調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)研究

1.1動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn) 2007年Lee等［6］首次分析骨鈣素基因敲除的小鼠（OC-/-），觀察到這些基因突變的小鼠內(nèi)臟脂肪異常增加，推測(cè)OC可調(diào)節(jié)能量代謝。為證實(shí)上述猜測(cè)，Lee等［6-7］將野生小鼠OC基因敲除，觀察發(fā)現(xiàn)OC-/-小鼠與野生型小鼠相比，胰腺B細(xì)胞增殖下降了2倍，胰島的大小及B細(xì)胞質(zhì)量、胰腺胰島素含量和胰島素免疫反應(yīng)性均顯著下降，而血糖水平增加。給OC-/-小鼠中再次注入重組OC后，可糾正他們的葡萄糖不耐受，胰島素分泌減少等癥狀。以上研究表明OC可通過促進(jìn)誘導(dǎo)胰腺B細(xì)胞的增殖，胰島素的合成與分泌等途徑對(duì)血糖穩(wěn)態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其次Lee又證實(shí)了ucOC是骨鈣素的活化形式，在調(diào)節(jié)糖代謝過程中起主要作用。首先使用骨鈣素羧化抑制劑-華法林與野生小鼠的成骨細(xì)胞培養(yǎng)，觀察發(fā)現(xiàn)其脂聯(lián)素基因表達(dá)顯著增加；使用細(xì)菌產(chǎn)生的ucOC與成骨細(xì)胞培養(yǎng)，可發(fā)現(xiàn)與上述實(shí)驗(yàn)一致的現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了胰島素和細(xì)胞周期素D1的表達(dá)增加［6］。

1.2體外細(xì)胞培養(yǎng) 該實(shí)驗(yàn)證明了骨骼存在內(nèi)分泌功能，而且是通過分泌OC來調(diào)節(jié)能量代謝的。將胰島細(xì)胞和脂細(xì)胞培養(yǎng)于成骨細(xì)胞的上清液中進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，用過濾器阻止成骨細(xì)胞與其接觸，結(jié)果可觀察到胰島素和脂聯(lián)素基因表達(dá)明顯提高，而對(duì)照組即成纖維細(xì)胞組卻未觀察到上述現(xiàn)象［6-8］。將人胰島細(xì)胞高血糖條件下培養(yǎng)，加入ucOC可使SUR1基因表達(dá)增加，B細(xì)胞質(zhì)量增加，繼而胰島素分泌顯著增加［9］，進(jìn)一步證實(shí)了骨鈣素調(diào)節(jié)糖代謝的功能。

1.3胰島細(xì)胞移植 將人胰島細(xì)胞移植于免疫缺陷的小鼠體內(nèi)，給予ucOC持續(xù)注射30 d，發(fā)現(xiàn)高糖刺激下血清胰島素及C肽水平均增高，Ki67標(biāo)記提示小鼠體內(nèi)人胰島細(xì)胞增殖了20%［9］。這個(gè)實(shí)驗(yàn)間接說明ucOC可使人胰島細(xì)胞增殖，相應(yīng)使胰島素分泌增加，這與對(duì)小鼠胰島細(xì)胞的作用一致。

1.4OC的潛在治療作用 研究發(fā)現(xiàn)高脂飲食或食欲亢進(jìn)誘導(dǎo)的肥胖和糖耐量異常的兩個(gè)小鼠模型，給予持續(xù)ucOC注射，可觀察到小鼠脂肪墊及體重增加均較少，而能量消耗及胰島素敏感性增加［8］。對(duì)正常飲食的小鼠進(jìn)行間歇的ucOC注射，1次/d，可顯著增加胰島B細(xì)胞體積和血清胰島素水平；對(duì)于高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠，間歇注射ucOC可增加能量消耗，改善胰島素敏感性和糖耐量減低癥狀，并逆轉(zhuǎn)肝臟脂肪變性［10］。

以上研究結(jié)果證實(shí)了骨鈣素對(duì)能量代謝的調(diào)節(jié)，OC可通過使胰島B細(xì)胞增殖、胰島素敏感性增加、促進(jìn)胰島素分泌、降低血糖水平，并可增加能量消耗，繼而減少肥胖及糖耐量減低的發(fā)生，并且ucOC是OC發(fā)揮作用的活性形式。

2　胚胎干細(xì)胞的磷酸酶（ESP）基因

腸球菌表面蛋白基因（ESP）特異表達(dá)在胚胎干細(xì)胞、睪丸支持細(xì)胞及成骨細(xì)胞中［11］，其編碼產(chǎn)物為骨-睪丸蛋白酪氨酸磷酸酶（OST-PTP）。成骨細(xì)胞ESP基因缺失的動(dòng)物模型（ESP-/-）表現(xiàn)出β細(xì)胞增殖，胰島素分泌和敏感性及脂聯(lián)素增加，并表現(xiàn)為低血糖，同時(shí)血清ucOC水平增加。這種表型類似于骨鈣素基因敲除的小鼠（OC-/-），且敲除一個(gè)骨鈣素基因的等位基因后可部分逆轉(zhuǎn)。選擇性的將小鼠成骨細(xì)胞全長(zhǎng)Esp的cDNA過表達(dá)，可發(fā)現(xiàn)與ESP-/-小鼠相反的代謝表型［6］。證明了Esp 和OC通過共同代謝通路來調(diào)節(jié)糖代謝，且OSTPTP可通過抑制骨鈣素的羧化進(jìn)而阻斷OC對(duì)血糖水平的調(diào)節(jié)。

3　骨鈣素的胰腺受體：GPRC6A

GPRC6A是G蛋白偶聯(lián)受體，為間質(zhì)細(xì)胞的受體，最近被證明表達(dá)于胰島細(xì)胞及B細(xì)胞系［12］。GPRC6A缺乏的小鼠糖代謝表型異常，使他們初步猜測(cè)GPRC6A可能是OC的受體。將全長(zhǎng)環(huán)狀GPRC6A的DNA轉(zhuǎn)染進(jìn)入缺乏GPRC6A的小鼠中，觀察到對(duì)OC劑量依賴性的反應(yīng)，這些數(shù)據(jù)初步表明，GRPC6A為生物相關(guān)的骨鈣素受體［13］。近期研究進(jìn)一步證實(shí)了上述觀點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)GPRC6A缺陷的小鼠與骨鈣素基因缺陷的小鼠表現(xiàn)相同，表現(xiàn)出血糖升高，B細(xì)胞面積及質(zhì)量減少，胰島素分泌減少，并出現(xiàn)糖耐量減低。體外實(shí)驗(yàn)中，將成骨細(xì)胞與GPRC6A缺乏的胰島細(xì)胞共培養(yǎng)，與對(duì)照組比較，并未發(fā)現(xiàn)胰島素及脂聯(lián)素基因的表達(dá)增加。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)通過造模并觀察GPRC6A+/-和OC+/-小鼠模型，發(fā)現(xiàn)GPRC6A+/-合并OC+/-的小鼠比單個(gè)雜合子小鼠的胰島細(xì)胞、胰島素分泌均顯著減少，體內(nèi)及體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)了GPRC6A在B細(xì)胞中是主要的骨鈣素受體，可通過調(diào)節(jié)骨鈣素作用進(jìn)而調(diào)節(jié)胰島細(xì)胞的增殖及胰島素分泌［14］。一項(xiàng)在大鼠中的研究發(fā)現(xiàn)，GPRC6A同樣表達(dá)于小腸上皮細(xì)胞及內(nèi)分泌細(xì)胞，ucOC可作用與GPRC6A，使GLP-1分泌增加，進(jìn)而促進(jìn)胰島素的釋放來調(diào)節(jié)血糖水平［15］。

4　胰島素信號(hào)

Fulzele等［16］研究表明，在成骨細(xì)胞胰島素受體表達(dá)缺陷的小鼠中，血清ucOC濃度較低，成骨細(xì)胞及骨形成均減少，繼而導(dǎo)致骨量減少；且隨著年齡的增長(zhǎng)，這些小鼠逐漸出現(xiàn)肥胖、高血糖及胰島素抵抗。給予注射重組ucOC治療后，可改善這些代謝異常。Ferron等［2］研究發(fā)現(xiàn)，胰島素可與成骨細(xì)胞胰島素受體結(jié)合，可抑制FoxO1表達(dá)，降低骨保護(hù)素的表達(dá)，減少對(duì)RANKI的抑制，增加骨重吸收，進(jìn)而使骨細(xì)胞外基質(zhì)pH值降低，促使骨鈣素脫羧化，ucOC的濃度增加，通過促進(jìn)B細(xì)胞增殖、胰島素釋放及能量消耗來實(shí)現(xiàn)對(duì)能量代謝的調(diào)節(jié)。肥胖小鼠體內(nèi)飽和脂肪酸增加可產(chǎn)生脂毒性，通過SMURF1途徑阻斷成骨細(xì)胞內(nèi)胰島素信號(hào)，同時(shí)體內(nèi)OC活性形式減少，繼而產(chǎn)生骨骼肌胰島素抵抗，因此出現(xiàn)體內(nèi)血糖水平異常；而在高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠中，將小鼠胰島素受體基因過表達(dá)，可使小鼠免于胰島素抵抗及葡萄糖不耐受［17］。以上實(shí)驗(yàn)表明，胰島素受體是骨鈣素發(fā)揮作用的重要環(huán)節(jié)，胰島素可通過胰島素受體直接或間接調(diào)節(jié)骨鈣素的羧化形式，進(jìn)一步調(diào)節(jié)血糖代謝水平。

5　骨鈣素對(duì)糖代謝調(diào)節(jié)的臨床研究

5.1OC對(duì)健康人糖代謝的調(diào)節(jié) 有研究表明，健康女性血清OC水平與空腹血糖、BMI、體重呈負(fù)相關(guān)，是BMI和FBG的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子［18］。

5.2OC對(duì)代謝綜合征及肥胖患者糖代謝調(diào)節(jié) 代謝綜合征患者OC水平與空腹血糖水平呈負(fù)相關(guān)；代謝綜合征與OC的關(guān)系表型與骨鈣素缺乏或GPRC6A受體缺乏表型一致，表現(xiàn)出胰島素抵抗、超重、胰島素分泌減少，且血清OC水平與代謝綜合征嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)［19］。超重和肥胖兒童中的一項(xiàng)研究表明，體脂百分?jǐn)?shù)及內(nèi)臟脂肪面積與血清OC水平呈負(fù)相關(guān)［20］。肥胖患者規(guī)律有氧運(yùn)動(dòng)，可使血清OC水平增加，繼而減輕體重并改善胰島素敏感性［21］。

5.3OC對(duì)2型糖尿病患者糖代謝調(diào)節(jié) 研究表明，OC水平在2型糖尿病患者中降低，且血清OC水平與2型糖尿病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)，血清OC與空腹血糖、糖化血紅蛋白、胰島素敏感性呈負(fù)相關(guān)，與胰島B細(xì)胞功能呈正相關(guān)［22-25］。研究表明，在2型糖尿病患者中，女性O(shè)C水平高于男性，且男性通過增加胰島素分泌改善糖代謝，而女性通過胰島素分泌及改善胰島素抵抗調(diào)節(jié)血糖水平［23］。有研究表明，2型糖尿病早期OC水平升高，并和瘦素水平呈正相關(guān)［26］。

5.4OC對(duì)妊娠糖尿病患者糖代謝調(diào)節(jié) 妊娠糖尿病患者孕中晚期OC水平升高，且OC與胰島素分泌呈正相關(guān)，提示妊娠糖尿病患者存在對(duì)抗胰島素抵抗的適應(yīng)機(jī)制［27-28］。另一研究發(fā)現(xiàn)妊娠糖尿病患者整個(gè)孕期血清OC水平均高于正常孕婦，且隨孕周增長(zhǎng)骨鈣素水平增加，認(rèn)為是OC對(duì)胰島B細(xì)胞功能受損的代償作用［29］。

6　臨床應(yīng)用前景及展望

骨骼對(duì)能量代謝的反饋調(diào)節(jié)已得到大量實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。OC可使胰島B細(xì)胞增殖，胰島素分泌增加，胰島素敏感性增高，血糖降低且保護(hù)小鼠免于肥胖及糖耐量減低，因此OC有望成為糖尿病及肥胖治療的新靶點(diǎn)。臨床大量研究證實(shí)，糖尿病患者中血清OC降低，而這與妊娠糖尿病患者的研究卻不一致，其作用機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)OC以u(píng)cOC的形式發(fā)揮其生物作用；大量臨床實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了OC的臨床作用，而對(duì)于不同羧基化狀態(tài)的OC與胰島功能關(guān)系的臨床研究仍較少，需進(jìn)一步研究。

［1］陳家倫.臨床內(nèi)分泌學(xué)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2011：1359-1360.

［2］ Ferron M，Wei J，Yoshizawa T，et al.Insulin signaling in osteoblasts integrates bone remodeling and energy metabolism［J］. Cell，2010，142（2）：296-308.

［3］ Garnero P.Biomarkers for osteoporosis management：utility in diagnosis，fracture risk prediction and therapy monitoring［J］.Mol Diagn Ther，2008，12（3）：157-170.

［4］ Shu A，Yin M T，Stein E，et al.Bone structure and turnover in type 2 diabetes mellitus［J］.Osteoporos Int，2012，23（2）：635-641.

［5］ Napoli N，Strotmeyer E S，Ensrud K E，et al.Fracture risk in diabetic elderly men：the MrOS study［J］.Diabetologia，2014，57 （10）：2057-2065.

［6］ Lee N K，Sowa H，Hinoi E，et al.Endocrine regulation of energy metabolism by the skeleton［J］.Cell，2007，130（3）：456-469.

［7］ Lee N K，Karsenty G.Reciprocal regulation of bone and energy metabolism［J］.J Musculoskelet Neuronal Interact，2008，8（4）：351.

［8］ Ferron M，Hinoi E，Karsenty G，et al.Osteocalcin differentially regulates beta cell and adipocyte gene expression and affects the development of metabolic diseases in wild-type mice［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2008，105（13）：5266-5270.

［9］ Sabek O M， Nishimoto S K， Fraga D， et al.Osteocalcin effect on human β-cells mass and function［J］. Endocrinology，2015，156（9）：3137-3146.

［10］ Ferron M，McKee M D，Levine R L，et al.Intermittent injections of osteocalcin improve glucose metabolism and prevent type 2 diabetes in mice［J］.Bone，2012，50（2）：568-575.

［11］ Confavreux C B.Bone：from a reservoir of minerals to a regulator of energy metabolism［J］.Kidney Int，2011，67（121）：S14-S19.

［12］ Oury F，Sumara G，Sumara O，et al.Endocrine regulation of male fertility by the skeleton［J］.Cell，2011，144（5）：796-809.

［13］ Pi M，Wu Y，Quarles L D.GPRC6A mediates responses to osteocalcin in β-cells in vitro and pancreas in vivo［J］.J Bone Miner Res，2011，26（7）：1680-1683.

［14］ Wei J，Hanna T，Suda N，et al.Osteocalcin promotes β-cell proliferation during development and adulthood through Gprc6a［J］.Diabetes，2014，63（3）：1021-1031.

［15］ Mizokami A，Yasutake Y，Gao J，et al.Osteocalcin induces release of glucagon-like peptide-1 and thereby stimulates insulin secretion in mice［J］.PLoS One，2013，8（2）：e57 375.

［16］ Fulzele K，Riddle R C，DiGirolamo D J，et al.Insulin receptor signaling in osteoblasts regulates postnatal bone acquisition and body composition［J］.Cell，2010，142（2）：309-319.

［17］ Wei J，F(xiàn)erron M，Clarke C J，et al.Bone-specific insulin resistance disrupts whole-body glucose homeostasis via decreased osteocalcin activation［J］.J Clin Invest，2014，124（4）：1-13.

［18］ Hu W W，Ke Y H，He J W，et al.Serum osteocalcin levels areinversely associated with plasma glucose and body mass index in healthy Chinese women［J］.Acta Pharmacol Sin， 2014，35（12）：1521-1526.

［19］ Confavreux C B，Szulc P，Casey R，et al.Lower serum osteocalcin is associated with more severe metabolic syndrome in elderly men from the MINOS cohort［J］.Eur J Endocrinol，2014，171（2）：275-283.

［20］ Wang J W，Tang Q Y，Ruan H J，et al.Relation between serum osteocalcin levels and body composition in obese children［J］.J Pediatr Gastroenterol Nutrs，2014，58（6）：729-732.

［21］ Kim Y S，Nam J S，Yeo D W，et al.The effects of aerobic exercise training on serum osteocalcin， adipocytokines and insulin resistance on obese young males［J］.Clin Endocrinol（Oxf），2015，82（5）：686-694.

［22］ Zhou M，Ma X，Li H，et al.Serum osteocalcin concentrations in relation to glucose and lipid metabolism in Chinese individuals［J］. Eur J Endocrinol，2009，161（5）：723-729.

［23］ Rui X，Xu B，Su J，et al.Differential pattern for regulating insulin secretion，insulin resistance，and lipid metabolism by osteocalcin in male and female T2DM patients［J］.Med Sci Monit，2014，20（20）：711-719.

［24］ González-García Z M，Kullo I J，Coletta D K，et al. Osteocalcin and type 2 diabetes risk in Latinos：a life course approach［J］.Am J Hum Biol.2015，27（6）：859-861.

［25］ Kanazawa I，Yamaguchi T，Tada Y，et al.Serum osteocalcin level is positively associated with insulin sensitivity and secretion in patients with type 2 diabetes［J］.Bone，2011，48（4）：720-725.

［26］ Aoki A，Muneyuki T，Yoshida M，et al.Circulating osteocalcin is increased in early-stage diabetes［J］.Diabetes Res Clin Pract，2011，92（2）：181-186.

［27］ Winhofer Y，Handisurya A，Tura A，et al.Osteocalcin is related to enhanced insulin secretion in gestational diabetes mellitus［J］.Diabetes Care，2010，33（1）：139-143.

［28］李丹，田路，劉春雷，等.妊娠期糖尿病患者骨鈣素和β-膠原特殊序列水平分析［J］.標(biāo)記免疫分析與臨床，2015，22 （1）：10-11.

［29］ Tabatabaei N，Giguère Y，F(xiàn)orest J C，et al.Osteocalcin is higher across pregnancy in Caucasian women with gestational diabetes mellitus［J］.Can J Diabetes，2014，38（5）：307-313.

Research Progress in Regulation of Glucose Metabolism by Osteocalcin

CHONG Zhen-zhen，HU Ling.//Medical Innovation of China，2016，13（14）：137-140

Osteocalcin（OC） is a bone matrix proteins，which is synthesized and secreted by osteoblasts，it is regularly used as the serum marker in the clinical setting.Recent evidence indicated that OC，especially ucOC，can regulate the glucose metabolism by promoting the proliferation of B-cell，enhancing the secretion of insulin and improving the sensitivity of insulin.GPRC6A is the receptor of osteocalcin which expressed in pancreatic islets，while the enterococcal surface protein（ESP） gene and insulin signal can regulate the glucose metabolism through regulate the bioactivity of OC.Clinical observations also confirmed the regulating effect of OC.OC may be a new therapeutic target for the treatment of diabetes and obesity in the future.

Osteocalcin； Undercarboxylated osteocalcin； Glucose metabolism

①山西醫(yī)科大學(xué) 山西 太原 030001

②山西醫(yī)科大學(xué)附屬人民醫(yī)院

胡玲

10.3969/j.issn.1674-4985.2016.14.036

2015-12-10） （本文編輯：劉蕾）