脂毒性是指血中的三酰甘油在脂蛋白脂酶的作用下水解成游离脂肪酸(FFA) ,后者进入细胞内进行氧化代谢供应能量或储存在脂肪内。当体内 FFA 水平增高后,超过脂肪组织的储存能力和各组织对 FFA 的氧化能力时,过多的FFA 即激活非氧化通路以三酰甘油的形式在非脂肪组织过度沉积,即非脂肪组织的异位沉积,从而造成该组织的损伤,如心脏、胰腺、肝脏、血管等。
脂毒性的发生主要与高水平的 FFA相关。高水平的 FFA 短期内可以刺激胰岛素分泌,长期则再脂化异位沉积于非脂肪器官,致使周围组织对胰岛素的敏感性降低,肝脏糖异生增加,肌糖原生成降低,并使胰岛 B 细胞功能受损,最终导致胰岛素分泌障碍和胰岛素抵抗,从而对非脂肪组织产生损伤。本文就脂质及其毒性对胰腺细胞信号转导系统的影响研究新进展作一综述。
1、 转录因子途径
FFA 主要通过环磷酸腺苷 (cAMP)反应元件调控因子阻遏物(CREM-17X 及ICER-1) 和甾醇调节因子结合蛋白-1c(SREBP-1c) 来影响胰腺 B 细胞功能。
CREM 是转录因子 ATF / CREB 家族中的一员,它控制着神经内分泌细胞多基因表达,也是治疗肥胖症、降低动物体脂沉积的关键。固醇调控元件结合蛋白(ste-rol regulatory element binding proteins,SREBPs) 是膜结合转录因子,属于转录调控因子 bHLH(helix-loop-helix) 家族。大量研究已证实: SREBPs 是调控胆固醇、脂肪酸和三酰甘油及脂肪细胞分化过程的关键转录调控因子。在人和动物中,存在 3 种形式的 SREBP 同分异构体,即SREBP-1a, SREBP-1c 和 SREBP-2。
SREBP 存在于内质网,主要功能是介导脂肪酸的合成,并可通过影响碳水化合物代谢、脂质生物合成、细胞生长及凋亡多个靶基因改变而导致胰岛 B 细胞功能障碍。SREBPs 的组成结构包括 480个氨基酸组成的 N 端、590 个氨基酸组成的 C 端和中间的 80 个氨基酸的发夹结构,后者被亲水环状结构分割。其中,N端的功能是启动转录,C 端则负责转录的调控。SREBP 的调控主要发生在 3 个水平: SREBP 前体蛋白裂解过程、转录及SREB 的 翻 译 后 调 控。 SREBP-1a 和SREBP-2 的调控主要发生在前体裂解阶段,SREBP-1c 的调控主要发生在转录水平。
SREBP 对脂质合成的调控与 SREBP裂解激活蛋白(SCAP) 和胰岛素诱导基因产物(insulin-induced gene,Insig) 有关。
当细胞内脂质水平下降时,SREBP 与SCAP 结合,转入高尔基体,在 1 位蛋白酶作用下清除 SREBP 的 C 端,保留 N 端在细胞膜,剩余部分返回内质网被2 位蛋白酶清除。当细胞内脂质过量时,SCAP/SREBP 复合体不能形成,则 SREBP 介导的转录不能进行。另一方面,Insig 可以与 SCAP 的转感结构域(SSD) 结合,当脂质浓度升高,Insig 与 SCAP 结合而阻断SCAP-SREBP 复合体的形成,从而使脂质合成减少; 相反,当脂质浓度降低则这种结合降低,而使 SREBP 有效地从内质网运输到高尔基体实现活化,从而促进脂质的合成。
SREBP-1c 是胰腺重要的转录调控因子,直接激活脂肪酸、三酰甘油合成和代谢的 30 多个基因,同时 SREBP-1c 也是合成这些分子所必需的 NADPH 的协同因子。因此,SREBP-1c 被称为“脂毒性的门卫”,能调控脂肪酸和三酰甘油合成的多种基因,如脂肪酸合成酶(FAS) 。胰岛素能上调 SREBP-1c 的 mRNA 表达和脂肪酸合成基因的表达,同时反应产物丙二酰 CoA 能抑制 CPT1 和线粒体 FA 氧化。SREBP-1c 对三酰甘油和脂肪酸的调节具有靶向性,通过基因工程小鼠模型建立可以发现,SREBP-1c 缺乏的脂肪组织不能有效储存三酰甘油,从而使脂肪酸增加并储存在周围组织,最终导致显性脂毒性和代谢综合征。不过,SREBP-1c 是促进还是抑制生脂基因的表达,目前还存有争议。有研究发现,过度表达的 SREBP-1c 引起胰腺细胞内脂滴大量沉积,并使葡萄糖刺激的胰岛 B 细胞胰岛素分泌(GSIS) 受损,而这一表现可能是通过 FFA 引发的内质网受损和内质网应激产生的。
2、 过氧化物酶增殖物活化受体(PPARs)系统
研究显示,PPARs 作为一重要的细胞调节因子,是脂肪酸代谢转录途径的主要决定因子。PPARs 属于配体介导的激素核内受体家族,由 PPARα、δ(β) 、γ 组成。α 受体主要分布在肝脏、心脏、肾脏和褐色脂肪组织,与脂代谢有关; δ 受体在各种组织均有丰富的表达,可能与细胞的基础脂质代谢有关,也可能协助 PPARα、PPARγ 的作用; γ 受体主要在脂肪组织和大肠中表达,具有多种生物效应,在脂肪细胞分化、糖脂代谢、炎性反应中起重要作用。PPARs 由保守的结构区组成功能结构区,与其配体形成复合物后,PPARs 在 DNA 结合区发生变构,通过与视黄酸类受体 α(RXRα) 形成异二聚体,再和目的基因启动子上游的过氧化物酶增殖物反应元件(PPRE)结合而对靶基因进行调控。
PPAR 由多不饱和脂肪酸、类花生酸类脂质和不同种的合成配基激活。
PPARα 可以调控肝脏编码过氧化物酶体、线粒体和微粒体细胞色素 P450 中某些脂肪酸代谢酶的基因转录; PPARα 还能诱导乙酰辅酶 A 合成酶,促进肝脏提取脂肪酸并转化为乙酰辅酶 A,提高脂肪酸经 β 氧化途径的代谢分解率。当脂肪酸摄入增加和 β 氧化增加时,PPARα通过增加肝脏脂蛋白脂酶的表达而降低ApoC-Ⅲ的产生,逐渐降低三酰甘油的水平,同时促进高密度脂肪酸(HDL) 的主要载脂蛋白 ApoA-Ⅰ和 ApoA-Ⅱ在肝脏的表达,以升高血浆 HDL 的水平。而PPARγ 在脂肪酸增高时,往往通过加强脂肪酸转运蛋白和酰基 CoA 合成而促进脂肪细胞摄取脂肪酸,并增加脂肪细胞中脂质的存储,刺激脂肪组织中参与脂肪酸代谢的多种基因的表达而降低血脂水平。而 PPARγ 的激活可以增加新分化的小脂肪细胞而减少肥大的脂肪细胞,这样可增加细胞膜上胰岛素受体的数量,同时促进脂蛋白脂酶、脂肪酸结合蛋白、脂肪酸合成酶表达增加,从而减少FFA,增加胰岛素敏感性。
此外,PPAR 对于脂肪细胞的信号传导作用还表现在对其分泌的多种激素和细胞因子的调节功能。肿瘤坏死因子(TNF-α) 能抑制前脂肪细胞的分化以及胰岛素刺激的葡萄糖转运,加速脂肪细胞脂肪分解,增加血 FFA 水平。当脂肪酸摄入增加时,PPAR 激活后减缓脂解速度,从而降低 FFA。这种抗脂肪分解的作用可能由 TNF-α 水平及活性改变而介导。肥胖常伴有胰岛素抵抗和慢性炎症反应,而慢性炎症反应是导致胰岛素抵抗的关键原因。TNF-α 是主要的致炎因子,TNF-α 刺激可以引起 PPARγ下降,另外已证实 PPARγ 配体具有抗炎效应,激活 PPARγ 可减轻炎症反应,炎症因子表达减少。体外实验证明,噻唑烷二酮(TZD) 类药物可以降低 TNF-α 基因表达,抑制TNF-α 刺激的脂肪分解。PPAR 激活可能阻断了 TNF-α 在信号传导途径中对胰岛素受体及胰岛素受体底物磷酸化的抑制作用。研究显示,用脂肪酸或 TNF-α 处理内皮细胞,可见细胞内氧化应激增强,IL-8 增多,细胞核因子 κB(NF-κB) 活性增强和细胞黏附分子-1 含量增加; 若同时使用脂肪酸和 TNF-α 处理,则细胞内氧化应激进一步增强,推测 TNF-α 在脂肪酸对内皮细胞的凋亡中起作用。另外,大量试验已证明,TZD 类药物通过激活 PPAR 可以降低 leptin mRNA 及蛋白水平,提示 PPAR在高脂状态下亦可能通过调控脂质水平表达来降低 FFA。
3、 Toll 受体途径
Toll 受体(Toll-like receptors,TLRs)是免疫细胞表面识别病原相关分子模式的一个模式识别受体家族,最新研究显示其在自身免疫疾病和慢性炎症的相互作用方面起着重要的桥梁作用。TLRs 是近年来发现的跨膜信号传递受体蛋白。
迄今为止,在哺乳动物体内已经发现 12个 TLRs 家族的成员,分别命名为 TLR1~ 12。Toll 属Ⅰ型跨膜蛋白,其家族成员的结构非常相似,由胞外区、跨膜区和胞内区 3 部分组成。胞外区富含亮氨酸重复基序(leucine-rich repeats,LRR) ,有利于对病原体或其产物的识别; 胞内区与IL-1 受体的胞内区相似,因而被称为 TollIL-1 受体同源区(toll IL-1 receptor homol-ogous region,TIR) ,在信号转导中具有重要作用。有研究显示 TLR4、TLR1、TLR2 和 TLR5 在巨噬细胞和内皮细胞高表达,从而在高脂血症引起的动脉粥样硬化中发挥作用。其中,TLR4 在低密度脂蛋白胆固醇(LDL) 作用下在巨噬细胞表达上调。TLR4 受饱和脂肪酸激活,细胞内炎症通路均被上调,如 JNK、KKB/LKBα / NF-κB,进而诱导胰岛素抵抗,因而 TLR4 是炎症与脂质代谢信号通路的交叉点。胰腺 B 细胞可对脂肪酸反应,主要经由 TLR4/MyD88 信号通路并产生一系列趋化因子,最终引起 CD11b+Ly-6C+M1 型促炎单核巨噬细胞向胰岛聚集,引起炎症反应进而损伤 B 细胞。
4、 蛋白激酶 C(PKC) 信号转导通路
PKC 信号转导通路是 FFA 作用的经典途径,目前已发现 12 种 PKC 同工酶,并根据作用机制分为 3 类: 传统型,Ca2 +和二脂酰甘油 (diacylglycerol,DAG) 依赖; 非传统型,仅依赖 DAG; 非典型型,非Ca2 +和非 DAG 依赖。FFA 通过 PKC 途径能介导下列反应: (1) 促进升高的 Ca2 +和 DAG 进一步刺激胰岛素的释放; (2)激活腺苷酸环化酶,继而提高胞内 cAMP浓度,升高的 cAMP 和 PKA 反馈抑制磷脂酰肌醇和 PKC 通路。
血浆 FFA 提高导致细胞脂酰辅酶 A和 DAG 的增多,二者是 PKC 强有力的激活剂,PKC 能使胰岛素受体和胰岛素受体底物-1(insulin receptor substrate,IRS-1) 的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化,而IRS-1 的酪氨酸磷酸化受抑,从而使胰腺组织中磷脂酰肌醇 3 激酶(phosphatidyli-nositol 3 kinase,PI3K) 的活性降低,导致葡萄糖转运载体-4(glucose transporter-4,Glut-4) 向细胞表面转位减少,胰岛素介导的葡萄糖摄取减少; 同时抑制糖原合成酶活性,使糖原储备能力下降。
另外,FFA 引起的氧化应激也可激活 PKC,有证据表明 FFA 引起的氧化应激对 PKC 的作用可能由 NF-κB 抑制物激酶(IKK) 介导。IKK 是 NF-κB 抑制物(IκB) 激酶,而 NF-κB 是炎症启动、调节的关键核因子。NF-κB 与抑制物 IκB 结合,以无活性的形式存在于细胞浆内。
经氧化应激激活后,IKK 使 IκB 磷酸化并与 NF-κB 解离。解除抑制的活性 NF-κB进入细胞核内,调节一系列炎症因子及相关物质的基因转录和蛋白合成,即 IKK是激活 NF-κB 调节炎症的重要因素。IKK 又是胰岛素受体和 IRS-1 丝氨酸磷酸化激酶,可使 IRS307 位的丝氨酸磷酸化,导致正常的酪氨酸磷酸化受抑制,减弱胰岛素受体与 IRS 的结合、妨碍胰岛素信号向 PI3K 传递。
5、 脂毒性靶向治疗
随着对脂质毒性对信号传导途径影响机制的深入认识,通过信号传导途径靶向治疗也日益成为热点,主要集中于以下 2 方面。
5. 1 PPAR 途径的调节 包括 PPARγ激动剂、维甲酸受体(RXR) 激动剂、β3肾上腺素能受体激动剂、PPARα/γ 双重激动剂等。TZDs 是一类直接针对胰岛素抵抗的药物,Rosiglitazone 和 Pioglitazone已用于临床,其作用机制是通过结合和活化 PPARγ,促进脂肪细胞的分化,减少FFA、TNF-α 和 resistin 的生成。 PPARγ在脂肪组织中与 RXR 组成杂合二聚体,所以 RXR 激动剂也可激活 PPARγ 而发挥作用。RXR 激动剂 LG100268 在动物实验中已经显示了良好的降低食欲和体质量的作用,有望用于肥胖相关的胰岛素抵抗患者。另外,目前研制出的几种化合物均具有 PPARα/γ 的共激活作用,如 Wy-1464、Ragaglitazar、KBP297 等。
5. 2 PKC 抑制剂 PKC 抑制剂有多种。Inoguchi 等研究发现 FFA 水平升高时,PKC 依赖的 NADPH 氧化酶激活,增加反应性氧化产物 (ROS) 的产生,从而可加速胰岛素抵抗综合征患者动脉粥样硬化 的 发 生。选 择 性 PKC 抑 制 剂GF109203X 可抑制 ROS 的产生。维生素E 可激活 DAG 激酶使 DAG 转化为磷脂酸,从而降低 DAG 浓度,减少 PKC 的活化。但是维生素 E 对已激活的 PKC 没有影响。选择性 PKCβ 抑制剂 LY333531 可阻断 PKCβ,目前主要用于糖尿病患者视网膜血流动力学异常的改善。
综上所述,脂毒性可通过多种转导机制对不同靶器官造成损伤,其各种机制之间的联系还需进一步的研究。明确脂毒性的转导机制对理解疾病的病理生理过程和保护靶器官都具有重要的意义和价值。通过对脂毒性信号通路的深入研究,选择靶向治疗各种脂毒性相关性疾病,可有效地减轻不良反应和提高疗效,或许可以作为一种新的治疗思路。
