脂肪酸去飽和酶2基因在糖脂代謝中的研究進展

王國杰，田 燁，張慧英

天津醫(yī)科大學總醫(yī)院婦產(chǎn)科，天津 300052

脂肪酸去飽和酶2(fatty acid desaturase 2，F(xiàn)ADS2)基因位于人11號染色體長臂12- 13.1區(qū)帶，是脂肪酸去飽和酶基因家族中的一員，編碼δ6去飽和酶(delta- 6 desaturases，D6D)。D6D催化必需脂肪酸亞油酸和α-亞麻酸轉(zhuǎn)化為長鏈多不飽和脂肪酸(long-chain polyunsaturated fatty acid，LC-PUFA)，是LC-PUFA生物合成途徑的關(guān)鍵酶[1]。LC-PUFA是生物體不可或缺的脂肪酸，它們在調(diào)節(jié)生物體的糖脂代謝方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。近年來，已有許多臨床研究及基礎(chǔ)動物實驗報道，F(xiàn)ADS2基因的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)及所編碼的D6D活性與糖脂代謝密切相關(guān)，如胰島素抵抗與2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)、血脂異常、肥胖等。本文就FADS2基因在糖脂代謝中的作用做一綜述，為FADS2基因在糖脂代謝相關(guān)疾病的防治方面提供一定的理論依據(jù)。

FADS2基因的功能

FADS2基因位于第11號染色體，由12個外顯子和11個內(nèi)含子組成，跨越39.1 kb區(qū)域，編碼含有444個氨基酸的蛋白。其主要結(jié)構(gòu)特點是包含1個細胞色素b5樣結(jié)構(gòu)域、2個跨膜結(jié)構(gòu)域和3個富含組氨酸的結(jié)構(gòu)域[2]。這些富含組氨酸的結(jié)構(gòu)域在脂肪酸去飽和酶基因家族是高度保守的結(jié)構(gòu)域，因為其中的組氨酸殘基是鐵原子的潛在配體，參與構(gòu)成去飽和酶的催化中心。FADS2基因在不同的生物體中發(fā)揮著重要的生理或病理作用[3- 4]。FADS2基因在人體組織中廣泛表達，以肝臟表達水平最高[5]。

FADS2基因編碼D6D，催化必需脂肪酸亞油酸和α-亞麻酸去飽和為γ-亞麻酸和十八碳四烯酸，隨后兩者通過碳鏈延長、去飽和及β氧化，最終生成一系列LC-PUFA。LC-PUFA是指含有碳雙鍵數(shù)≥3個且碳鏈長度≥20個碳原子的多不飽和脂肪酸，分為n- 3和n- 6系列。研究表明LC-PUFA在調(diào)節(jié)生物體的糖脂代謝方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用，如在骨骼肌中，LC-PUFA可以增強葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4的表達，從而改善外周組織的胰島素敏感性[6]。Wang等[7]研究發(fā)現(xiàn)補充LC-PUFA 12周，即可有效降低糖耐量異?；颊叩难呛鸵葝u素抵抗。而在肝臟中，LC-PUFA可抑制脂肪合成酶的活性，促進脂肪酸的氧化分解，從而減少血清三酰甘油(triglyceride，TG)的水平[8]。

FADS2基因與糖代謝

D6D活性與T2DM由于FADS2基因編碼的D6D是催化LC-PUFA合成的關(guān)鍵酶，其活性的改變導致細胞膜脂肪酸譜的改變，這在糖代謝異常中起到了關(guān)鍵的作用。迄今為止，還沒有統(tǒng)一的標準來表示D6D的活性。目前推薦標準是以脂肪酸產(chǎn)物與前體的比率來表示D6D活性，如γ-亞麻酸與亞油酸的比值[9]。一方面，已有文獻報道，高D6D活性為T2DM風險增加的獨立相關(guān)因素，高D6D活性人群患T2DM的風險是低D6D活性人群的1.68倍[10]，另一方面，T2DM患者體內(nèi)D6D活性顯著升高。Shetty等[11]研究發(fā)現(xiàn)T2DM患者體內(nèi)D6D活性為健康人群的1.71倍。由此可見，D6D的活性可預測T2DM的患病風險，而T2DM也影響著D6D的活性。

D6D活性與T2DM的發(fā)病機制目前尚不明確。已有的研究表明，D6D活性的改變導致內(nèi)源性LC-PUFA譜的改變，進而影響細胞功能如胰島素受體的表達、細胞膜的流動性等[12]。LC-PUFA最重要的功能是保證細胞膜有足夠數(shù)量的胰島素受體。如果在胎兒和嬰幼兒時期，細胞膜中的LC-PUFA合成異常，就會導致胰島素受體的表達或功能缺陷，導致T2DM[13]。另一方面，細胞膜流動性的改變，會導致葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1(glucose transporters 1，GLUT1)構(gòu)象發(fā)生變化，進而降低GLUT1對葡萄糖的親和力，減少β細胞對葡萄糖的攝取，增加T2DM風險[14]。此外，也有學者認為高D6D活性引起過多的LC-PUFA在肝臟和脂肪組織中積累，激活脂質(zhì)分解和脂肪生成的代謝轉(zhuǎn)換，進一步影響胰島素的信號傳導，導致T2DM[15]。

FADS2基因SNP與糖代謝由于D6D活性與FADS2基因的遺傳變異高度相關(guān)，因此，研究者還試圖從遺傳多態(tài)性的角度探討FADS2基因的SNP與糖代謝的關(guān)系。Kim等[16]研究FADS2 rs174575位點突變對576例30～79歲健康韓國男性空腹胰島素水平和穩(wěn)態(tài)模型評估的胰島素抵抗指數(shù)(homeostasis model assessment insulin resistance，HOMA-IR)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，rs174575 G等位基因攜帶者的空腹胰島素水平明顯高于rs174575 CC同源者[(9.7±5.9) μU/ml比(8.7±3.8) μU/ml]，并且FADS2 rs174575 G等位基因攜帶者的HOMA-IR是rs174575 CC同源者的1.9倍。而Cormier等[17]在一項納入210例受試者的隨機對照試驗中發(fā)現(xiàn)，在外源性補充LC-PUFA干預6周后，F(xiàn)ADS2 rs482548位點突變能顯著升高加拿大人群的空腹血糖水平，而其他SNP位點(如rs7394871，rs174602，rs174570，rs7482316)突變則能顯著降低HOMA-IR。此外，Yao等[18]報道在我國北方漢族人群中FADS2 rs174616位點突變與T2DM患病風險降低高度相關(guān)，該位點T等位基因攜帶者患T2DM的風險僅為對照組的0.65倍，這表明FADS2基因的SNP與不同人群中的HOMA-IR和T2DM的關(guān)聯(lián)存在種族差異。

FADS2基因的SNP與糖代謝的關(guān)系因FADS2基因突變位點的不同而不同。目前關(guān)于FADS2基因的SNP與糖代謝的研究僅停留在發(fā)現(xiàn)基因突變位點的淺層次研究，研究的樣本數(shù)量偏少，結(jié)果的可重復性不高，并且缺乏相應(yīng)的功能學研究，因此仍然需要后續(xù)深入的研究。

n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例與糖代謝FADS2基因與n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例密切相關(guān)。Zhao等[19]采用成簇的規(guī)律間隔的短回文重復序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR)和CRISPR相關(guān)蛋白9(CRISPR-associated protein 9，Cas9)基因編輯技術(shù)構(gòu)建FADS2基因敲除(FADS2 -/-)斑馬魚模型，通過氣相色譜法對FADS2 -/- 斑馬魚的肝臟組織進行脂肪酸譜分析發(fā)現(xiàn)，與野生型(wide type，WT)斑馬魚相比，F(xiàn)ADS2 -/- 斑馬魚肝臟中的亞油酸和α-亞麻酸水平升高，γ-亞麻酸和二十二碳六烯酸水平降低，同時n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例顯著增加。同樣，Monk等[20]也報道，與WT小鼠相比，喂食富含α-亞麻酸飲食干預9周后，F(xiàn)ADS2 -/- 小鼠脾臟中的n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例從1.4∶1顯著增加到4.3∶1。由此可見，F(xiàn)ADS2基因在調(diào)節(jié)n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例方面發(fā)揮了重要的作用。

適宜的n- 6/n- 3 LC-PUFA比例對機體健康至關(guān)重要。一般認為，n- 6/n- 3 LC-PUFA的最佳攝入比例小于或等于4∶1，然而Simopoulos[21]發(fā)現(xiàn)在西方飲食中，n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例高達15∶1～17∶1。高比例的n- 6/n- 3 LC-PUFA飲食可加劇炎癥介導的胰島素抵抗，導致T2DM的發(fā)病風險升高[22]。這是因為n- 6 LC-PUFA是促炎物質(zhì)的前體，通過合成促炎介質(zhì)如前列腺素E2和白三烯B4等，增強外周組織的氧化應(yīng)激反應(yīng)，降低外周組織對胰島素的敏感性，從而導致胰島素抵抗[23]。相反，n- 3 LC-PUFA是抗炎物質(zhì)的前體，通過合成抗炎介質(zhì)如消退素和保護素D1等，保護胰島β細胞免受自由基的損害，增加胰島素的分泌，從而改善胰島素抵抗[24]。因此，n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例失衡在T2DM的發(fā)生發(fā)展中起著重要的作用。

近年來，有研究表明，膳食補充n- 3 LC-PUFA調(diào)節(jié)n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例對T2DM具有治療潛力。Jacobo-Cejudo等[25]在一項隨機對照試驗中將54例T2DM患者隨機分為試驗組(n=29)和對照組(n=25)，試驗組每日接受520 mg富含n- 3 LC-PUFA的魚油，對照組接受同等劑量安慰劑，干預24周后，發(fā)現(xiàn)試驗組血糖濃度明顯降低[(156.1±69.4)mmol/L比(177.2±68.4) mol/L，P=0.011]，對照組血糖濃度無明顯變化[(183.3±53.3) mmol/L比(184.6±71.1) mol/L，P=0.326]。因此，適宜的n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例對糖代謝至關(guān)重要。補充n- 3 LC-PUFA對T2DM患者血糖的控制具有積極的作用，這一發(fā)現(xiàn)可為T2DM患者的日常飲食提供有益的指導，但仍需要更多的臨床試驗和循證醫(yī)學證據(jù)來進一步證實。

FADS2基因與脂代謝

血脂異常除了糖代謝以外，F(xiàn)ADS2基因的SNP與血脂水平的關(guān)系一直是研究熱點之一。Nakayama等[26]采用多元線性回歸模型和加性遺傳模型對亞洲人群的基因組進行全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study，GWAS)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ADS2 rs174547位點的風險等位基因與TG、高密度脂蛋白膽固醇(high density lipoprotein cholesterol，HDL)、低密度脂蛋白膽固醇(low density lipoprotein cholesterol，LDL)水平密切相關(guān)。在日本人群中(n=21 004)，rs174547 C等位基因攜帶者具有較高的TG水平和較低的HDL水平；而在蒙古人群中(n=1203)，rs174547 C等位基因攜帶者具有較低的LDL水平。隨后，Wu等[27]報道FADS2 rs174575位點突變與我國北方漢族人群(n=992)總膽固醇(total cholesterol，TC)水平明顯相關(guān)。該位點風險等位基因攜帶者TC濃度明顯低于rs174575 GG同源者[(4.38±0.41) mmol/L 比(5.13±0.06) mmol/L]。由于亞洲人群SNP的連鎖不平衡模式和單倍型結(jié)構(gòu)無明顯差異，因此，目前推測FADS2基因?qū)喼奕巳貉V的影響可能是由于膳食中LC-PUFA的攝入不同所致，具體作用機制還有待進一步研究。在歐洲人群中，與血脂水平相關(guān)的FADS2基因SNP位點也被鑒定出來，如全球脂質(zhì)遺傳學聯(lián)盟基于188 577例歐洲受試者的基因組數(shù)據(jù)進行的GWAS研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ADS2基因位點rs174546與較低的TC、HDL、LDL水平和較高的TG水平密切相關(guān)[28]。

個體FADS2基因型與血脂水平之間的生物學機制尚不完全清楚。目前猜測與FADS2基因型高度相關(guān)的LC-PUFA可能是這些關(guān)聯(lián)的內(nèi)在原因。有研究報道，風險等位基因攜帶者中高濃度的LC-PUFA可以導致細胞膜流動性增加，從而降低LDL[29]。除了改變細胞膜的流動性外，LC-PUFA還可以激活轉(zhuǎn)錄因子如過氧化物酶體增殖物激活受體α(peroxisome proliferators-activated receptor α，PPARα)。內(nèi)源性LC-PUFA是PPARα的天然配體，一旦PPARα被激活，它將進一步促進載脂蛋白CⅢ和脂蛋白脂酶的表達[30- 31]。當載脂蛋白CⅢ表達增強時，其可抑制脂蛋白脂肪酶和肝臟脂肪酶，促使TG水平升高[32]。此外，LC-PUFA還可以通過直接作用于載脂蛋白B100，抑制其合成，從而降低所有由載脂蛋白B100構(gòu)成的脂蛋白的血漿水平，尤其是LDL[33]。

脂肪組織FADS2基因在人和小鼠的脂肪組織中都有表達。然而，到目前為止，它在脂肪組織中的具體作用還不完全清楚。成年哺乳動物體內(nèi)有白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)和棕色脂肪組織(brown adipose tissue，BAT)。WAT廣泛分布于體內(nèi)皮下組織和內(nèi)臟周圍，主要功能是將體內(nèi)多余能量以脂肪的形式儲存起來，是體內(nèi)脂肪的主要儲存形式。而BAT主要分布于頸背部、腋窩、縱隔周圍，主要功能是將脂肪轉(zhuǎn)化為熱量[34]。

Stoffel等[35]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ADS2 -/-小鼠斷奶后體重增長緩慢，4～5月齡時體重僅為WT小鼠體重的75%～80%。成年FADS2 -/-小鼠體型瘦弱，脂肪細胞大小約為WT小鼠的2/3，附睪WAT中LC-PUFA含量極低。Sarr等[36]也觀察到類似的現(xiàn)象，即喂食富含α-亞麻酸飲食的FADS2 -/-小鼠比喂食相同食物的WT小鼠體重更低，附睪和腹股溝WAT中幾乎沒有LC-PUFA及所衍生的氧化脂質(zhì)。由此推測FADS2 -/-小鼠對肥胖的抵抗力與WAT中較低的LC-PUFA含量和脂肪細胞變小有關(guān)。值得注意的是，盡管FADS2 -/-小鼠表現(xiàn)出對肥胖的抵抗力，但與WT小鼠相比，F(xiàn)ADS2 -/-小鼠的胰島素敏感性卻降低，表現(xiàn)為體型瘦弱卻伴發(fā)胰島素抵抗，這一現(xiàn)象目前機制尚不清楚。近年來，臨床研究也發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ADS1 rs174537位點突變會導致WAT庫中的脂肪酸分布異常[37]，但FADS2與WAT的研究目前仍處于探索階段。

n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例與脂代謝n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例也是影響脂代謝的關(guān)鍵因素之一。動物實驗表明，大鼠血脂水平與圍產(chǎn)期母鼠飲食中n- 6/n- 3 LC-PUFA的特定比例相關(guān)。與圍產(chǎn)期給予低n- 6/n- 3 LC-PUFA比例飲食的大鼠后代相比，圍產(chǎn)期給予高n- 6/n- 3 LC-PUFA比例飲食的大鼠后代血清TG水平明顯升高[(1.1±0.1) mmol/L 比(0.8±0.1) mmol/L，P<0.05][38]。Yang等[39]發(fā)現(xiàn)，與喂食n- 6/n- 3 LC-PUFA比例為20∶1的大鼠相比，喂食n- 6/n- 3 LC-PUFA比例為1∶1和5∶1的大鼠血清TC、LDL水平顯著降低(P<0.05)，并且隨著n- 6/n- 3 LC-PUFA的比例從5∶1增加到20∶1，大鼠血清活性氧水平顯著增加，這表明高n- 6/n- 3 LC-PUFA比例可能與氧化應(yīng)激介導的血脂分布異常有關(guān)，但具體機制仍在研究之中。

n- 3 LC-PUFA具有抗炎作用，膳食補充n- 3 LC-PUFA有助于降低心血管疾病風險，抑制動脈粥樣硬化，改善血脂譜[40]。Avelino等[41]在一項隨機對照試驗中將110例老年患者隨機分為試驗組(n=57)和對照組(n=53)，試驗組每日補充3 g n- 3 LC-PUFA，對照組補充同等劑量安慰劑，干預12周后，發(fā)現(xiàn)試驗組血清TC水平顯著降低[(183.2±23.8) mg/dl比(199.2±18.6) mg/dl，P<0.05]，HDL水平顯著升高(48.0±7.3) mg/dl比(43.9±6.5) mg/dl，P<0.05]。國內(nèi)一項納入2730例受試者、包含47個隨機對照試驗的Meta分析發(fā)現(xiàn)，膳食補充n- 3 LC-PUFA可顯著降低TG(95%CI=-0.158～-0.044 mmol/L，P=0.001)，TC(95%CI=-0.224 ～-0.056 mmol/L，P=0.001)和LDL(95%CI=-0.191～-0.071mmol/L，P<0.001)水平。研究還指出膳食中每增加1 g n- 3 LC-PUFA 可降低TG 0.0016 mmol/L、TC 0.0071 mmol/L和LDL 0.0061 mmol/L[42]。此外，Li等[43]一項納入1368例受試者、包含30個隨機對照試驗的Meta分析還發(fā)現(xiàn)，對于不同健康狀況的人群，低n- 6/n- 3 LC-PUFA比例的飲食對T2DM患者的血脂影響更為顯著，并且干預時間持續(xù)≥3個月時，TG、TC和LDL水平的下降趨勢明顯優(yōu)于干預持續(xù)時間<3個月。

小 結(jié)

FADS2基因與糖脂代謝之間的關(guān)系是近年來的研究熱點。作為LC-PUFA合成的關(guān)鍵基因，F(xiàn)ADS2基因的SNP及所編碼的D6D活性在調(diào)節(jié)糖脂代謝方面起著重要的作用，這為臨床早期進行基因篩查和診斷糖脂代謝異常提供了有力的參考。然而，由于種族或地域差異，這些多態(tài)性位點并不完全相同。適宜的n- 6/n- 3 LC-PUFA比例對血糖和血脂的控制具有良好的干預效果，通過飲食調(diào)節(jié)糖脂代謝以及開發(fā)新型功能性食品可能成為未來的研究熱點，但仍然需要大量高質(zhì)量多中心前瞻性臨床研究進一步證實。