骨鈣素對糖、脂代謝的影響及分子機(jī)制的研究進(jìn)展

廖婧 馮正平

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院內(nèi)分泌科，重慶 400016

骨作為支持身體運動和保護(hù)內(nèi)部器官的結(jié)構(gòu)，近年來，研究表明骨骼還可作為一個內(nèi)分泌器官，參與全身能量的代謝調(diào)節(jié)。骨鈣素(osteocalcin，OC)主要反映骨活性、骨轉(zhuǎn)化，在骨組織中是含量比較豐富的非膠原蛋白，主要由非增殖期的成骨細(xì)胞生成。研究發(fā)現(xiàn)骨鈣素可作為一種內(nèi)分泌激素，參與骨骼系統(tǒng)外胰腺、肌肉、脂肪、肝臟等多器官的生物學(xué)功能調(diào)節(jié)[1]，發(fā)揮著重要的作用。目前，越來越多的動物模型及臨床研究證實血清骨鈣素水平與糖代謝、脂代謝等指標(biāo)密切相關(guān)，并通過多種途徑進(jìn)行調(diào)控。本文就骨鈣素對糖、脂代謝的相互影響及其相關(guān)分子機(jī)制進(jìn)行闡述。

1 骨鈣素的概述

骨鈣素是由 46～50 個氨基酸構(gòu)成的多肽，在部分動物中高度保守，根據(jù)其種屬分類，氨基酸數(shù)目則不一樣。人類的編碼基因位于 1 號染色體。骨鈣素又稱為γ-羧基谷氨酸蛋白(bone glaprotein，BGP)，此類蛋白具有維生素 K 依賴性，谷氨酸基的γ-羧基化后才具有生物學(xué)效應(yīng)，而這個過程需維生素 K 的羧基化酶參與，形成成熟BGP。骨鈣素是骨代謝的特異性標(biāo)志物之一，臨床上檢測血清骨鈣素，能反映骨轉(zhuǎn)換、骨更新及成骨細(xì)胞的功能。由于其羧化程度的不同，循環(huán)中骨鈣素存在的形式也不同，即羧化骨鈣素(fully carboxylated osteocalcin，cOC)和低羧化骨鈣素(under carboxylated osteocalcin，ucOC)。cOC 主要和羥基磷灰石結(jié)合，它可通過從 0～2 個羧基的脫羧轉(zhuǎn)變?yōu)?ucOC。實驗研究表明，低羧化骨鈣素(ucOC)被認(rèn)為是循環(huán)OC的活性形式，發(fā)揮內(nèi)分泌功能[2]。其內(nèi)分泌作用在于通過促進(jìn)胰島β細(xì)胞分泌胰島素和增加脂肪細(xì)胞分泌的抗炎蛋白脂聯(lián)素的表達(dá)來調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)。而這些行為最終會導(dǎo)致更強(qiáng)的胰島素敏感性[3]。所以，近年來，骨鈣素對糖、脂代謝的調(diào)節(jié)作用逐漸引起人們的注意。

2 骨鈣素與糖代謝

2.1 骨鈣素對糖代謝的影響

流行病學(xué)資料[4]顯示，在 2 型糖尿病患者中，測定的血清骨鈣素水平下降，當(dāng)其水平增加可使患者的血糖水平得到改善。在一項包括 47 000 名患者的臨床觀察試驗 Meta 分析中，發(fā)現(xiàn)空腹血糖水平下降、胰島素抵抗改善與血清 OC水平顯著相關(guān)[5]。同樣在動物模型中，研究者們在小鼠敲除骨鈣素后發(fā)現(xiàn)血糖升高，補(bǔ)充骨鈣素后血糖正?；痆1]。在最近的一項68例新診斷的兒童糖尿病患者研究中，研究者們發(fā)現(xiàn)其C肽水平與高水平的ucOC有關(guān)[6]。由此可見，血清骨鈣素水平對維持血糖穩(wěn)態(tài)十分重要，并對預(yù)測糖尿病發(fā)病風(fēng)險有一定的臨床意義。研究者在老年人群中發(fā)現(xiàn)較高的血清 ucOC 水平與較低的糖尿病發(fā)病風(fēng)險相關(guān)[7]。同樣，一些亞洲的研究[8]結(jié)果顯示，2 型糖尿病的危險因素也包含體內(nèi)較低的血清 OC 水平。而歐洲的一項結(jié)果[9]認(rèn)為，OC 水平與2型糖尿病人群的患病風(fēng)險沒有關(guān)聯(lián)。這是否與研究人群、檢測方式、地域差異、樣本大小等相關(guān)，未來還需更多的研究進(jìn)一步明確。

2.2 骨鈣素影響糖代謝的分子機(jī)制

目前發(fā)現(xiàn)骨鈣素影響糖代謝的機(jī)制有多種。大多數(shù)研究者認(rèn)為血清骨鈣素主要是通過改變胰島素分泌和組織對胰島素的敏感性來維持機(jī)體血糖穩(wěn)態(tài)的[10]。

2.2.1胰島β細(xì)胞：研究發(fā)現(xiàn)，骨鈣素是通過其特定的受體發(fā)揮作用的[11]，即 G 蛋白偶聯(lián)受體 6 A (G protein coupled receptor 6 A，GPRC6A)。GPRC6A 廣泛存在于器官中，如胰腺細(xì)胞、肝細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、某些脂肪細(xì)胞中均有表達(dá)，OC 與之結(jié)合可促進(jìn)胰島β細(xì)胞增殖，參與葡萄糖、脂肪的代謝[12]。目前研究表明，OC 可通過以下途徑進(jìn)行調(diào)控血糖：1)直接途徑：①ucOC 可作用于胰島β細(xì)胞膜上的受體 GPRC6A，通過 Cyclin D1 途徑刺激胰島β細(xì)胞活性[13]；②OC與受體GPRC6A結(jié)合后，通過磷脂酶C(PLC)激活的三磷酸肌醇-鈣(IP3-Ca+2)通路，促進(jìn)胰島細(xì)胞產(chǎn)生胰島素；③另外，OC和受體GPRC6A作用通過腺苷酸環(huán)化酶(cAMP-PKA)通路，導(dǎo)致MeK-Erk級聯(lián)激活，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖、分化和調(diào)節(jié)胰島素敏感性[14]。2)間接途徑：ucOC 作用于小腸 STC-1 細(xì)胞膜上的 GPRC6A，增加其胰高血糖素樣肽-1 (glucagon like peptide-1，GLP-1)的水平，從而促進(jìn)胰島素的分泌[15]。3)另外，ucOC 還可以作用于胰島β細(xì)胞膜上的電壓門控鉀通道，抑制其通道活性，進(jìn)而調(diào)節(jié)胰島素分泌而影響血糖[16]。由此可見，細(xì)胞膜上的GPRC6A受體是骨鈣素發(fā)揮內(nèi)分泌作用的關(guān)鍵點。

2.2.2胰島素敏感性：OC 可上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(glucose transporter 4，GluT4)的 mRNA(Slc2a4)的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，血清能量平衡相關(guān)蛋白(adropin)可通過增加 AS160 的磷酸化來調(diào)節(jié)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)從而調(diào)控葡萄糖代謝[17]。ucOC 可通過增加胰島素誘導(dǎo)的 Akt 磷酸化及減少 IR 基因的表達(dá)，改善胰島素抵抗(insulin resistance，IR)，進(jìn)而增加胰島素的分泌[18]。

2.2.3骨鈣素的基因多態(tài)性：現(xiàn)有研究表明 OC 的基因多態(tài)性和血糖調(diào)控也有關(guān)。國外的 Specjalski等[19]在研究中發(fā)現(xiàn)，OC 基因RS1800247 位點有 T/C 多態(tài)性的特點，其 TT 頻率為 60 %、TC 為 31 %、CC 為 9 %。我國劉陽等[20]發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者體內(nèi)的胰島β功能、胰島素敏感性與 OC 基因啟動子區(qū) RS1800247 和 RS1543297 位點的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNPs)有關(guān)聯(lián)。由于胰島β細(xì)胞功能和胰島素敏感性是維持血糖穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵要素，所以，骨鈣素基因多態(tài)性的特點有望作為調(diào)節(jié)能量代謝的研究新方向。但是，目前國內(nèi)外關(guān)于 OC 基因多態(tài)性的研究較少，其調(diào)控能量的具體機(jī)制以及能否將骨鈣素的基因多態(tài)性運用到臨床中，未來還需要更多的相關(guān)研究進(jìn)一步探討。

2.3 血糖對骨鈣素的影響

骨鈣素對血糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)至關(guān)重要，同樣，研究表明血糖亦可調(diào)節(jié)骨鈣素水平的表達(dá)。有研究發(fā)現(xiàn)，血糖水平紊亂人群其血清骨鈣素水平異常，在一項血糖正常的健康女性與糖尿病前期人群的臨床研究中發(fā)現(xiàn)，隨著 HbA1c 水平的增高，其骨吸收程度增強(qiáng)，結(jié)果血清骨鈣素水平均升高[21]。在一項中國男性4年的糖尿病臨床隨訪試驗中發(fā)現(xiàn)：糖耐量正常組有比較高的骨鈣素(≥23.33 ng/mL)，而糖尿病、糖耐量異常組的骨鈣素水平(<23.33 ng/mL)則較低(P<0.001)。另有橫斷面研究[22]發(fā)現(xiàn)，在糖尿病人群中，血糖水平較高患者比較骨鈣素水平較低，這表明血清低骨鈣素水平與血糖水平之間有著密切的聯(lián)系。

2.4 血糖影響骨鈣素的分子機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)血糖可通過多種分子機(jī)制調(diào)控骨鈣素的表達(dá)：①在糖尿病高血糖的內(nèi)環(huán)境下，成骨細(xì)胞凋亡率升高，導(dǎo)致細(xì)胞功能下降，從而使骨鈣素的合成及分泌受阻[22]；②2 型糖尿病患者胰島β細(xì)胞功能受損、胰島素水平下降，使得調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化的轉(zhuǎn)錄因子Twist 的表達(dá)相對增強(qiáng)，同時也增加了 Twist 對骨特異性轉(zhuǎn)錄因子Runx2(runt related transcription factor 2，Runx2)的功能阻礙，使成骨細(xì)胞分化受阻，從而骨鈣素的合成、分泌下降[23]；③糖尿病患者體內(nèi)的低胰島素水平影響成骨細(xì)胞的功能，導(dǎo)致胰島素與成骨細(xì)胞膜上的胰島素受體作用受阻，從而影響骨鈣素的表達(dá)；④胰島素的表達(dá)受到 1,25-(OH)2D3的影響，當(dāng)糖尿病患者的胰島素水平較低時，體內(nèi)1,25-(OH)2D3的產(chǎn)生下降，從而阻礙成骨細(xì)胞合成和分泌骨鈣素[24]；⑤此外，胰島素可通過阻礙轉(zhuǎn)錄因子 Fox O1 的功能，促進(jìn)破骨細(xì)胞的表達(dá)，從而上調(diào)非羧化骨鈣素的分泌參與能量調(diào)控。由此可見，骨鈣素、胰島素之間不僅相互調(diào)節(jié)、相互作用，機(jī)制復(fù)雜，未來還需更多的研究進(jìn)一步完善。另外，在血糖波動情況下，它們之間的如何相關(guān)調(diào)節(jié)、反饋，也需要進(jìn)一步探討。

3 骨鈣素與脂代謝

骨鈣素不僅參與糖代謝，而且也調(diào)節(jié)血脂、動脈粥樣硬化、改善脂代謝等。研究發(fā)現(xiàn)，人體體脂的分布與成骨細(xì)胞分泌的骨鈣素有關(guān)，使 OC 被認(rèn)為是胰島素抵抗、腹型肥胖的重要預(yù)測因子之一[25]。在最近的一項日本研究中，從73名1型糖尿病患者中得出，1型糖尿病患者血清ucOC或OC水平與體脂呈負(fù)相關(guān)[26]。此外，在肥胖患者的研究中，研究者還發(fā)現(xiàn)[27]此類人群進(jìn)行規(guī)律有氧運動時，可能通過骨-脂肪-能量這條能量代謝軸，增加體內(nèi)血清OC 水平、瘦素水平，進(jìn)而提高胰島素的敏感性、減輕體重。另有研究發(fā)現(xiàn)，在非糖尿病的中國女性人群中，血清骨鈣素水平與脂肪肝的患病率負(fù)相關(guān)[28]?？梢?，骨鈣素與非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)也有重要的關(guān)聯(lián)，研究表明OC 可通過降低脂滴包被蛋白(perilipin) 及三酰甘油脂肪酶(triglyceride lipase，TGL)的活性，使體內(nèi)三酰甘油及游離脂肪酸水平下降，肝臟內(nèi)三酰甘油的堆積受阻，進(jìn)而阻礙非酒精性脂肪性肝病的進(jìn)展變化[29]。之前有兩項研究評估了患有或不患有肥胖的兒童和青少年中其血清骨鈣素和非酒精性脂肪肝的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)NAFLD患者血清骨鈣素水平低于對照組，且骨鈣素水平與肝酶活性、NAFLD嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)。此外，血清骨鈣素水平低于44.5 ng/mL是預(yù)測肝臟脂肪變性嚴(yán)重程度的良好指標(biāo)，其敏感性和特異性為80 %[30-31]。

3.1 Nrf2 通路調(diào)控 NAFLD

骨鈣素受體 GPRC6A 在肝細(xì)胞中也有表達(dá)，Du等[32]研究發(fā)現(xiàn)骨鈣素可通過肝細(xì)胞表面的GPRC6A 激活 Nrf2 通路，進(jìn)而調(diào)控 NAFLD。Du 等通過給誘導(dǎo)的 NAFLD 小鼠模型，補(bǔ)充重組脫羧骨鈣素，發(fā)現(xiàn)Nrf2 的核蛋白水平升高，同時增加了肝臟過氧化氫酶、谷胱苷肽過氧化物酶-1(glutathione peroxidase-1，Gpx-1)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD1)的表達(dá)、活性，使肝臟丙二醛和 8-異前列腺素 F2α的水平以及氧化型谷胱甘肽/還原型谷胱甘肽的比值下降，進(jìn)而降低肝臟的氧化應(yīng)激，改善非酒精性脂肪性肝病。同時在注射骨鈣素過程中，Du 等發(fā)現(xiàn)小鼠肝臟中 JNK 磷酸化途徑被抑制。表明骨鈣素可上調(diào)抗氧化基因的表達(dá)，通過 Nrf2 通路、JNK 途徑保護(hù) NAFLD，逆轉(zhuǎn)組織學(xué)損傷。

3.2 脂聯(lián)素及瘦素

許多研究表明骨鈣素能通過對脂肪因子——脂連素的調(diào)控進(jìn)而參與脂代謝。未完全羧化的OC可作用于脂肪組織，促進(jìn)瘦素及脂聯(lián)素的表達(dá)，使體內(nèi)肝糖原的合成受阻，通過增加部分組織脂肪酸氧化活性，提高葡萄糖的攝入量，從而改善胰島素抵抗[33]。同樣，在一項大鼠實驗中，研究者發(fā)現(xiàn)給予補(bǔ)充骨鈣素可以使大鼠體內(nèi)所分泌的脂聯(lián)素過度表達(dá)，從而增加了胰島素的敏感性。由此得出，即使給予大鼠高熱量、高脂飲食進(jìn)行喂養(yǎng)，當(dāng)體內(nèi)脂聯(lián)素過度表達(dá)時，由于外周組織對胰島素的敏感性增加，經(jīng)過體內(nèi)的一系列脂肪動員反應(yīng)，大鼠仍然不會產(chǎn)生脂肪堆積的現(xiàn)象[34]。綜上表明，骨鈣素可通過脂聯(lián)素、瘦素影響脂代謝。

ucOC 可促進(jìn)脂肪細(xì)胞表達(dá)脂聯(lián)素，有研究者認(rèn)為其可能機(jī)制為，當(dāng) 3T3-L1 脂肪細(xì)胞內(nèi)受體 GPRC6A 被激活分化時，ucOC 與之結(jié)合，可增加細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)與蛋白激酶 A(protein kinase，PKA)的活性。細(xì)胞外信號介導(dǎo)活化的 PKA 促進(jìn)激酶磷酸化，進(jìn)而活化 cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)，CREB 通過誘導(dǎo)過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator activated receptor，PPARγ)[35]，Pparγ基因通過將Pparγ-Rxr異二聚體連接到Adipoq基因的啟動子區(qū)域而導(dǎo)致脂聯(lián)素基因(Adipoq)的反式激活，從而導(dǎo)致脂聯(lián)素[36]的合成。目前，關(guān)于骨鈣素調(diào)節(jié)脂代謝的分子機(jī)制研究較少，未來還需更多的研究完善。

如今，有大量的回顧性研究認(rèn)為血清骨鈣素在人體內(nèi)調(diào)節(jié)葡萄糖代謝、脂肪代謝，和糖尿病風(fēng)險密切相關(guān)。但是，這些研究都存在同樣的局限性，一方面不能從橫斷面分析推斷兩者之間的因果關(guān)系，另外缺少縱向分析顯示骨鈣素與2型糖尿病發(fā)病率之間的關(guān)聯(lián)，以及是否能通過外源性給予骨鈣素來改善患者的血糖、非酒精性脂肪性肝病的發(fā)展這些都是未來研究的挑戰(zhàn)。

4 展望

綜上所述，成骨細(xì)胞分泌的 OC 是調(diào)節(jié)葡萄糖和脂肪代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[37]，不完全羧化骨鈣素是其參與能量代謝的活化形式。ucOC 通過與GPRC6A受體結(jié)合促進(jìn)胰島細(xì)胞增殖和胰島素的分泌，刺激脂聯(lián)素的表達(dá)，進(jìn)而提高胰島素敏感性，另外通過Nrf2、JNK等途徑改善NAFID來調(diào)控能量代謝。非羧化骨鈣素作為一種新的激素活性分子，活躍在糖、脂代謝的調(diào)節(jié)中，它在調(diào)節(jié)磷酸鹽、1,25(OH)2D3維生素和一些骨骼外系統(tǒng)的代謝中同樣有著重要的作用。另一方面，血糖水平、脂聯(lián)素也能調(diào)控成骨細(xì)胞表達(dá) OC，這表明骨鈣素這一特殊蛋白分子是連接著骨骼與胰腺、脂肪、肝臟等器官之間的能量代謝紐帶。但具體反饋機(jī)制如何，未來還需要進(jìn)一步的研究。此外，我們可以發(fā)現(xiàn)不管是糖代謝還是脂代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制中，骨鈣素受體 GPRC6A 均發(fā)揮著重要的作用，這提示未來是否可將 GPRC6A 受體作為突破口，運用到更多的研究中。