脂聯(lián)素發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)的信號傳導(dǎo)機制

任 超， 張 勇， 梁家立， 張 波， 鄭德志

(解放軍聯(lián)勤保障部隊第九六〇醫(yī)院心胸外科， 山東 濟南 250031)

脂肪組織主要以甘油三酯的形式儲存能量。在過去的二十多年里，脂肪組織也被證實是一種重要的內(nèi)分泌器官，通過分泌多種激素調(diào)節(jié)各種生理功能。脂聯(lián)素因其多效性而受到人們的極大關(guān)注。研究表明，包括肥胖、糖尿病和動脈粥樣硬化在內(nèi)的各種疾病狀態(tài)與較低的脂聯(lián)素濃度相關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)脂聯(lián)素具有胰島素增敏、抗炎、抗動脈粥樣硬化、抗凋亡、促血管生成和促脂肪生成等生物學(xué)作用。本文系統(tǒng)綜述脂聯(lián)素發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)的信號傳導(dǎo)機制，為其成為藥物開發(fā)的臨床治療靶點提供科學(xué)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

1 脂聯(lián)素的發(fā)現(xiàn)及形態(tài)結(jié)構(gòu)

1.1脂聯(lián)素的發(fā)現(xiàn)：1995年Scherer等人發(fā)表了關(guān)于脂聯(lián)素的初步報告。利用消減cDNA篩選技術(shù)，3T3-L1脂肪細胞分化過程中發(fā)現(xiàn)了的一種mRNA，其被誘導(dǎo)了100倍以上，進而發(fā)現(xiàn)了這種新編碼的蛋白質(zhì)，最初被命名為30kDa的脂肪細胞補體相關(guān)蛋白(Acrp30)[1]。1996年，Hu等人利用mRNA差異顯示技術(shù)分離出一種新的脂肪基因，他們將其命名為AdipoQ；同樣在1996年，Maeda等人對人類脂肪組織構(gòu)建了一個cDNA庫，并研究證實脂聯(lián)素是脂肪組織最豐富的分泌物，并將其命名為apM1。Nakano等人利用明膠的親和色譜法從人血漿中發(fā)現(xiàn)一種新的蛋白質(zhì)，他們將其命名為28kDa的明膠結(jié)合蛋白(GBP28)。GBP28的氨基酸序列顯示與Acrp30有82.7%的同源性，可以說Acrp30相當于小鼠的GBP28。

1.2脂聯(lián)素的形態(tài)結(jié)構(gòu):脂聯(lián)素是一種30kDa的單體糖蛋白。小鼠脂聯(lián)素含有247個氨基酸，而人脂聯(lián)素含由244個氨基酸，兩者同源性為83%。脂聯(lián)素由一個N端信號序列、一個非同源或高變區(qū)、一個含有22個膠原重復(fù)序列的膠原結(jié)構(gòu)域(8個Gly-X-Pro和14個Gly-X-Y)和一個C端C1q樣球狀結(jié)構(gòu)域組成。脂聯(lián)素的N端高變區(qū)含有一個半胱氨酸殘基(小鼠為Cys-39，人為Cys-36)，其后是一個膠原結(jié)構(gòu)域，內(nèi)含多個的賴氨酸和脯氨酸殘基。脂聯(lián)素主要在脂肪細胞中產(chǎn)生，其中單體蛋白被翻譯后修飾成不同的多聚體。大腸桿菌產(chǎn)生的重組脂聯(lián)素僅由單體脂聯(lián)素組成，證明脂聯(lián)素多聚體的形成需要哺乳動物脂肪細胞的翻譯加工。哺乳動物產(chǎn)生的脂聯(lián)素可以利用高速離心沉淀形成多聚體。這些多聚體復(fù)合物由三種形式構(gòu)成：低分子量形式(LMW，三聚體，90kDa)，中等分子量形式(MMW，六聚體，180kDa)，和高分子量形式(HMW，12～18個單體，360～540kDa)。多聚體的形成依賴于在N末端高變區(qū)由Cys-39介導(dǎo)的二硫鍵的形成，利于脂聯(lián)素多種生物學(xué)作用的發(fā)揮[2]。

2 脂聯(lián)素的表達和分泌

脂聯(lián)素在血漿中的循環(huán)濃度非常高(體重指數(shù)BMI<25:男性4～26μg/mL，女性5～37μg/mL-梅奧醫(yī)學(xué)文庫)，約占血清總蛋白的0.01%～0.05%。這大約比人類的大多數(shù)激素(包括瘦素和胰島素)大三個數(shù)量級[3]。循環(huán)脂聯(lián)素濃度存在性別差異，女性的總脂聯(lián)素和HMW脂聯(lián)素水平均高于男性，這主要是由于男性體內(nèi)的睪酮抑制了HMW脂聯(lián)素的產(chǎn)生。全長脂聯(lián)素在血清中循環(huán)主要以三種形式:三聚體、六聚體和HMW脂聯(lián)素。這些多聚體具有不同的生理特征，且在血清中不會相互轉(zhuǎn)化。脂聯(lián)素在血清中的半衰期相對較長(2.5～6h)，其分泌存在晝夜變化，白天濃度較高。血漿脂聯(lián)素濃度受許多因素的影響。大量研究表明，胰島素可刺激3T3-L1脂肪細胞中脂聯(lián)素基因表達和分泌。也有報道稱在類似的脂肪細胞模型系統(tǒng)中，胰島素以劑量和時間依賴的方式下調(diào)脂聯(lián)素基因表達。胰島素樣生長因子(IGF-1)和生長激素(GH)可以促進鼠和人脂肪組織中脂聯(lián)素基因的表達和分泌。瘦素也被證明以劑量依賴的方式增加脂聯(lián)素mRNA和蛋白質(zhì)的生成[4]。相反，TNF-α和白細胞介素-6(IL-6)抑制3T3-L1脂肪細胞的脂聯(lián)素基因表達和分泌。

3 脂聯(lián)素的生物學(xué)功能

經(jīng)過科研人員20多年的不斷努力，基本證實了脂聯(lián)素的多種生物學(xué)功能：①胰島素增敏作用：脂聯(lián)素可以促進胰島素敏感性并降低胰島素抵抗；②抗炎作用：大量嚙齒動物和人類研究表明，脂聯(lián)素在各種疾病狀態(tài)下具有抗炎特性，其主要是通過多種方式影響巨噬細胞的功能實現(xiàn)的；③保護血管作用：脂聯(lián)素通過抑制內(nèi)皮炎癥反應(yīng)、促使巨噬細胞向泡沫細胞轉(zhuǎn)化和增加血管平滑肌的增殖，產(chǎn)生抗動脈粥樣硬化作用；④心臟保護作用：除了通過減輕炎癥，脂聯(lián)素還可以減輕壓力超負荷狀態(tài)導(dǎo)致的心肌肥大，抑制心肌重塑，保護心臟；⑤腎保護作用：脂聯(lián)素可以降低腎足細胞的氧化應(yīng)激和白蛋白滲透性，保護腎足細胞免于細胞凋亡；⑥結(jié)腸保護作用：脂聯(lián)素通過促進腸上皮層的存活和結(jié)腸的抗炎作用對結(jié)腸提供保護；⑦促進創(chuàng)面愈合：脂聯(lián)素可以刺激角質(zhì)細胞增殖，并促進傷口愈合。

4 脂聯(lián)素的信號傳導(dǎo)機制

4.1脂聯(lián)素受體與信號傳導(dǎo):2003年，脂聯(lián)素受體1和脂聯(lián)素受體2(AdipoR1,AdipoR2)首次被發(fā)現(xiàn)并證明為脂聯(lián)素受體。AdipoR1在骨骼肌中表達更高，而AdipoR2大多局限于肝臟。AdipoR1是球狀脂聯(lián)素的高親和力受體，也是全長脂聯(lián)素的低親和力受體，而AdipoR2是球狀和全長脂聯(lián)素的中性受體。AdipoR1和R2在結(jié)構(gòu)上相互關(guān)聯(lián)，在蛋白質(zhì)水平上有67%的同源性。與其他G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)相似，AdipoR1和R2都含有7個跨膜結(jié)構(gòu)域。然而，它們在結(jié)構(gòu)和功能上與所有已知的GPCRs相反，脂聯(lián)素受體的N端位于細胞內(nèi)，C端位于細胞外。脂聯(lián)素受體屬于孕酮和脂聯(lián)素Q受體(PAQR)家族[5]。人AdipoR1和R2的結(jié)晶表明了一種新的結(jié)構(gòu)類型，其中AdipoR1和R2都有一個由七個跨膜螺旋包圍的大空腔[5]。配體和受體的相互作用發(fā)生在脂聯(lián)素的球狀結(jié)構(gòu)域和受體的細胞外表面之間。

AdipoR1和R2含有鋅結(jié)合的催化位點，位于質(zhì)膜內(nèi)表面附近[5]。脂聯(lián)素與AdipoR1和R2的鋅結(jié)合位點結(jié)合，引發(fā)一系列下游信號事件，包括骨骼肌、肝臟、心臟、腎臟和胰腺[6]。球狀和全長脂聯(lián)素激活A(yù)dipoR1和R2，增加腺苷單磷酸蛋白激酶(AMPK)和p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)磷酸化，增加過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)配體活性，導(dǎo)致脂肪酸氧化和葡萄糖利用增加。在基因改造ob/ob小鼠中，腺病毒過表達AdipoR1可以激活A(yù)MPK，導(dǎo)致糖異生基因表達減少。腺病毒在ob/ob小鼠中過度表達AdipoR2可增加AMPK活化和PPARα活性。

4.2銜接蛋白APPL1:2006年，發(fā)現(xiàn)了一種含有pleckstrin同源結(jié)構(gòu)域、磷酸酪氨酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域和亮氨酸拉鏈基序蛋白(APPL1)，它可以直接結(jié)合到AdipoR1和R2的細胞內(nèi)區(qū)域，被鑒定為脂聯(lián)素的銜接蛋白。脂聯(lián)素通過APPL1與AdipoR1和R2結(jié)合，介導(dǎo)并激活了AMPK的下游信號，包括葡萄糖攝取和脂質(zhì)氧化的增加。APPL1通過激活蛋白磷酸酶2A(PP2A)和使蛋白激酶Cζ(PKCζ)失活，來刺激脂聯(lián)素介導(dǎo)的AMPK激活，使肝激酶B1(LKB1)去磷酸化，這使得LKB1從細胞核轉(zhuǎn)移到胞質(zhì)并磷酸化AMPK[7]。脂聯(lián)素還刺激APPL1和Rab5(APPL1下游的一種小GTP酶)和p38MAPK之間的相互作用，導(dǎo)致葡萄糖攝取增加。最近的離體和在體小鼠研究表明，APPL1可以刺激胰島素和脂聯(lián)素結(jié)合到它們各自的受體上，促進胰島素受體底物1/2(IRS1/2)與胰島素受體的相互作用。APPL1基因敲除會損害脂聯(lián)素信號并導(dǎo)致胰島素靶組織產(chǎn)生胰島素抵抗[8]。因此，APPL1是脂聯(lián)素在全身能量穩(wěn)態(tài)中作用的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。值得注意的是，APPL1的另一種亞型APPL2對鼠骨骼肌細胞中的脂聯(lián)素信號產(chǎn)生負調(diào)節(jié)作用。其原因是APPL2通過其結(jié)構(gòu)域直接與AdipoR1和R2結(jié)合，從而競爭性地阻止APPL1與脂聯(lián)素的相互作用并阻斷脂聯(lián)素信號傳導(dǎo)[9]。APPL1和APPL2也會結(jié)合形成損害脂聯(lián)素作用的異二聚體。脂聯(lián)素可以刺激APPL1/APPL2異二聚體解離，釋放APPL1并結(jié)合AdipoR1和R2[9]。這種方式也提示脂聯(lián)素信號具有自身調(diào)節(jié)功能。

4.3鈣調(diào)節(jié)機制:脂聯(lián)素也可以獨立于APPL1激活A(yù)MPK。脂聯(lián)素主要通過誘導(dǎo)細胞內(nèi)儲存的鈣釋放，增加細胞外鈣進入細胞內(nèi)，從而增加細胞內(nèi)鈣的濃度，來激活A(yù)MPK。脂聯(lián)素激活磷脂酶C，隨后產(chǎn)生肌醇3-磷酸(IP3)，導(dǎo)致鈣從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放。從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放的鈣刺激Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶(CaMKK-β)，以非APPL1依賴方式激活A(yù)MPK。脂聯(lián)素也可以通過激活A(yù)dipoR1來促進細胞外鈣內(nèi)流，其確切機制尚不清楚。鈣通過兩種途徑，鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶(CaMK)途徑和AMPK途徑，刺激過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子-1α(PGC1-α)來激活SIRT1。鈣調(diào)節(jié)主要發(fā)生在骨骼肌，可以增加線粒體生物活性和氧化能力。

4.4神經(jīng)酰胺的作用:神經(jīng)酰胺是一種與胰島素抵抗、細胞死亡、炎癥和動脈粥樣硬化有關(guān)的鞘脂。脂聯(lián)素可以激活A(yù)dipoR1和R2降低細胞神經(jīng)酰胺的表達[10]。糖尿病患者神經(jīng)酰胺水平升高；而使用成纖維細胞生長因子21(FGF21)和TZDs來增加脂聯(lián)素，可以降低神經(jīng)酰胺的水平[10]。具體而言，給予外源性脂聯(lián)素降低了肝臟和其他組織中的神經(jīng)酰胺水平，導(dǎo)致肝臟胰島素敏感性增加。神經(jīng)酰胺酶將神經(jīng)酰胺水解為鞘氨醇，鞘氨醇被磷酸化為1-磷酸鞘氨醇(S1P)。S1P是促進細胞存活和增殖的有益因子[11]?；蚯贸∈笈咛コ衫w維細胞(MEFs)中的AdipoR1和R2，降低了脂聯(lián)素誘導(dǎo)的神經(jīng)酰胺酶活性，導(dǎo)致S1P濃度降低[6]。相反，肝臟中AdipoR1和AdipoR2的過度表達可以增加神經(jīng)酰胺酶的活性，降低神經(jīng)酰胺的含量并改善胰島素敏感性。脂聯(lián)素與AdipoR1和R2的結(jié)合，和/或脂聯(lián)素受體本身，可以誘導(dǎo)催化神經(jīng)酰胺酶活性[6]。最近的結(jié)構(gòu)研究表明，AdipoR2有一個內(nèi)部隧道，允許神經(jīng)酰胺在受體激活后從細胞內(nèi)側(cè)進入[12]。一旦神經(jīng)酰胺進入受體通道就被水解成鞘氨醇，鞘氨醇被釋放到細胞中并被磷酸化成S1P。AdipoR1沒有類似的內(nèi)部隧道，但具有脂聯(lián)素依賴的神經(jīng)酰胺酶活性[12]。

4.5T-鈣黏蛋白的作用:2004年，人們發(fā)現(xiàn)在C2C12小鼠成肌細胞中，T-鈣黏蛋白受體與脂聯(lián)素結(jié)合。T-鈣黏蛋白是一種非典型的糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨定的鈣粘蛋白細胞表面糖蛋白，參與鈣介導(dǎo)的細胞間接觸，在結(jié)構(gòu)上不同于AdipoR1和R2。T-鈣黏蛋白受體沒有跨膜或胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，但在內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞中起結(jié)合脂聯(lián)素和促進脂聯(lián)素信號傳導(dǎo)的作用，內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞也是T-鈣黏蛋白表達的主要部位。T-鈣黏蛋白受體結(jié)合HMW和六聚體形式的脂聯(lián)素，但不結(jié)合三聚體、球狀或細菌產(chǎn)生的脂聯(lián)素多聚體，證明真核翻譯后修飾是脂聯(lián)素結(jié)合T-鈣黏蛋白受體并發(fā)揮正常生物學(xué)功能所必需的。在T-鈣黏蛋白基因敲除小鼠中，脂聯(lián)素循環(huán)水平，特別是HMW型脂聯(lián)素均升高。脂聯(lián)素通過抑制GPI磷脂酶介導(dǎo)的T-鈣黏蛋白從細胞表面的釋放，來調(diào)節(jié)組織T-鈣黏蛋白水平[13]。T-鈣黏蛋白通過促進細胞遷移和增殖，在脂聯(lián)素介導(dǎo)的慢性缺血后血管重建中起重要作用[13]。心肌細胞上的T-鈣黏蛋白還通過結(jié)合脂聯(lián)素，激活A(yù)MPK信號通路，發(fā)揮心臟抗肥厚保護功能。

4.6病理環(huán)境對信號傳導(dǎo)的影響:在糖尿病或肥胖等不同的病理生理狀態(tài)下，AdipoR1和R2表達發(fā)生變化。在鏈脲佐菌素(STZ)糖尿病小鼠(1型糖尿病模型)中，骨骼肌AdipoR1和R2的表達增加。胰島素治療可以降低兩種受體的高表達。與對照組相比，STZ糖尿病小鼠肝臟表達AdipoR1和R2并無顯著差異。然而，胰島素降低了STZ糖尿病小鼠肝臟中兩種受體的表達。在胰島素抵抗的ob/ob小鼠中(瘦素產(chǎn)生減少)，肌肉和脂肪組織中AdipoR1和R2的表達均減少，但肝臟中沒有減少。在Lepr-/-小鼠(瘦素受體突變，db/db)(肥胖和糖尿病的遺傳動物模型)中，肝臟中AdipoR1和R2表達均降低，并導(dǎo)致脂聯(lián)素敏感性降低及全身代謝受損相關(guān)。在Lepr-/-小鼠肝臟中，腺病毒介導(dǎo)的AdipoR1和R2的過表達分別增加了AMPK活化和PPARα信號通路，減少了糖異生和新生脂肪的形成，增加了脂肪酸氧化，從而改善了Lepr-/-小鼠的糖尿病病情。在人類2型糖尿病家族史患者中，骨骼肌AdipoR1和R2表達較低，兩種受體的表達與胰島素敏感性呈正相關(guān)。相反，Debard等人沒有觀察到2型糖尿病胰島素抵抗的肥胖患者中，骨骼肌AdipoR1或R2表達的任何顯著差異。肥胖患者皮下和內(nèi)臟脂肪組織中AdipoR1和R2表達減少，且肥胖患者的體重減輕可增加AdipoR1基因的表達，而與AdipoR2無關(guān)。羅格列酮(一種TZD)可以增加脂肪組織中AdipoR1的表達，但降低骨骼肌中AdipoR1的表達，對AdipoR2沒有影響。相反，另一種TZD吡格列酮可以增加2型糖尿病患者骨骼肌中AdipoR1和R2的表達[14]。

5 小結(jié)與展望

在過去的20多年中，脂聯(lián)素因為其獨有的特性獲得了相當大的關(guān)注。本文綜述了脂聯(lián)素作為一種調(diào)節(jié)多種生理功能的多效性脂肪因子功能的傳導(dǎo)機制，使我們更充分的了解脂聯(lián)素如何發(fā)揮其生理作用的途徑，進一步為臨床尋找疾病的治療策略提供了合理的方向。

盡管如此，我們對脂聯(lián)素的研究在某些方面仍然有所欠缺。例如在心血管疾病方面，流行病學(xué)研究將脂聯(lián)素作為臨床標志物顯示出自相矛盾的結(jié)果：盡管脂聯(lián)素具有已經(jīng)證實的心臟保護作用，高濃度的脂聯(lián)素與心血管事件數(shù)量的減少無關(guān)，而是與心血管死亡風險的增加有關(guān)。導(dǎo)致脂聯(lián)素與死亡率之間這種矛盾關(guān)系的基本生理機制很復(fù)雜，仍有待探討。

目前，我們還遠遠沒有弄清楚脂聯(lián)素發(fā)揮生理功能的確切方式。但毫無疑問，在不久的未來，臨床會應(yīng)用大量的脂聯(lián)素制劑來預(yù)防和治療各種疾病。