肥胖和胰岛素抵抗的分子机制

肥胖和胰岛素抵抗的分子机制

班级：02临床3班 姓名：陈晗 指导老师：王海英

【摘 要】肥胖和胰岛素抵抗是Ⅱ型糖尿病发病的重要原因，而高脂饮食更是肥胖与胰岛素抵抗的导火索。其中过氧化物酶体增殖物激活受体PPAR-γ（peroxisome proliferateive activeated recaptor-γ）和脂联素起到重要作用。PPAR-γ基因是一种节俭基因。在高脂饮食的条件下，与天然配体结合后能将多余的能量储存于脂肪组织中，从而诱发肥胖和胰岛素抵抗。脂联素能促进骨骼肌及脂肪酸氧化和糖摄入，降低肝糖输出，如果脂联素缺乏，将导致胰岛素抵抗产生。因此，可通过使用PPAR-γ的适度抑制剂和补充脂联素的方法达到治疗Ⅱ型糖尿病的目的。

【关键字】过氧化物酶体增殖物激活受体；脂联素；肥胖；胰岛素抵抗

【Abstract】Obesity and insulin resistance have been recognized as the leading causes of Type Ⅱdiabetes mellitus. During this process, PPAR-γ, one kind of thrifty gene, is a key molecule to mediate high-fat-diet induced obesity and that depression of adiponectin action has crucial role in insulin resistance induced by obesity. As a result, the usage of functional antagonist of PPAR-γ and functional agonist of adiponectin receptor may turn out to be novel treatment strategy for insulin resistance and Type II diabetes. 【Key words】PPAR-γ；adiponectin；obesity; insulin resistant

肥胖和胰岛素抵抗被公认为是Ⅱ型糖尿病发病的重要原因，而高脂饮食更是肥胖与胰岛素抵抗的导火索。那么高脂饮食导致肥胖及肥胖进一步导致胰岛素抵抗的机制又是什么呢？本篇学习报告在查阅了诸多文献的基础上，阐述个人在这方面的一些理解与认识。近来研究表明，脂肪组织已不仅仅是一个供能量储存的终末器官，它具有强大的内分泌功能，其所分泌的物质在对胰岛素敏感性的调节中发挥着重要的作用。本文主要将目光集中于具有这样重要作用的脂肪细胞及其一些相关分子上。

一、PPAR-γ基因扮演着节俭基因的角色——引发肥胖

节俭基因的假说是于上世纪70年代提出的，它主要功能在于能够将多余的食物能量暂时转化为脂类并储存在脂肪细胞中，当机体需要时，又能将这些能量从脂肪细胞中释放出来并加以利用[1]。

为了研究过氧化物酶体增殖物激活受体PPAR-γ（peroxisome proliferateive activeated recaptor-γ）的功能，把PPAR-γ基因敲出的杂合型（PPAR-γ+/-）小鼠和野生型（PPAR-γ+/+）小鼠置于高脂饮食条件下进行比较研究。（注：纯合型（PPAR-γ-/-）小鼠是致死的这里不予采用）

发现：在高脂饮食条件下，野生型小鼠体重增加量和白色脂肪组织的增加量均多于杂合型，并且野生型小鼠的脂肪细胞体积明显比杂合型的大。同时发现，杂合型小鼠和野生型小鼠的血糖水平和FFA水平都保持正常，但是杂合型小鼠血中胰岛素含量明显低于野生型小鼠，说明在高脂饮食条件下，杂合型小鼠的胰岛素敏感性高于野生型。进一步研究显示：杂合型小鼠体内胰岛素降血糖能力比野生型提高了35%，胰岛素抑制肝糖输出能力比野生型提高了60%。换个角度说，即在抑制了50%PPAR-γ功能的小鼠体内，由于外周血糖消耗增加和肝糖输出被抑制，胰岛素敏感性大大提高了。

这些实验现象都说明：PPAR-γ基因是一种节俭基因。在高脂饮食的条件下，与天然配体结合后能将多余的能量储存于脂肪组织中，从而有诱发肥胖，脂肪细胞体积增大和胰岛素抵抗发生的趋势。野生型小鼠由于具备了PPAR-γ基因，故在高脂饮食条件下能将小脂肪细胞转变为大脂肪细胞，进而分泌诸如TNF-α和FFA等能引起胰岛素抵抗的物质，引发机体

的胰岛素抵抗。而杂合型小鼠因抑制了部分PPAR-γ的功能，而在高脂饮食条件下可以减轻类似情况的发生。

那么PPAR-γ发挥以上作用的机制是什么呢？

研究揭示：PPAR-γ是一种在脂肪细胞中大量表达的配体激活的转录因子。PPAR-γ的配体分为天然配体和人工合成配体两大类。其中天然配体包括：亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、氧化低密度脂蛋白和前列腺素衍生物等脂质代谢产物和脂肪酸及其代谢产物。人工合成的配体主要有三种类型：噻唑烷二酮类（TZDs，为PPAR-γ的选择性激活物，在毫微克分子浓度水平即可发挥作用），非甾体类消炎药和白三烯D1受体拮抗剂[2]。

PPAR-γ与配体结合的作用模式，目前有两种观点：

第一种：PPAR-γ被配体激活后，与视黄酸类受体α（RXR-α）结合形成异二聚体，然后与所调节基因的启动子上游的过氧化物酶体增殖物反应元件（PPRE）结合而发挥转录调控作用。PPRE由两个半位组成，两个半位之间相隔一个核苷酸，不同PPARs反应基因的PPRE半位序列可略有差异，其共有序列为AGGTCA-N-AGGTCA。PPAR-γ和RXR-α各结合一个半位。PPAR-γ/RXR-α异二聚体与PPRE结合后，将征集不同的核受体辅助因子参与调节PPAR-γ/RXR-α异二聚体的转录活性。包括辅助活化因子和辅助抑制因子两大类。其中辅助活化因子有：cAMP反应元件结合蛋白（CREB）、PPAR-γ辅助活化因子（PGC）、CREB结合蛋白（CBP）和类固醇受体辅助活化因子-1（SRC-1）。辅助抑制因子有：核受体辅助抑制物（N-CoR）、视黄酸与甲状腺素受体的静默中介复合体（SMRT）。这些因子通过改变染色体与转录起始复合物建立相互的联系而调节PPAR-γ的转录活性[3, 4, 5]。

第二种PPAR-γ受体配体作用模式见Figure-1：在还未与配体结合时，PPAR-γ/RXR-α异二聚体就已经和PPRE相结合，只是此时结合的均为辅助抑制因子，使组蛋白去乙酰化，转录被抑制。当配体与PPAR-γ结合上以后，辅助抑制因子脱离，辅助活化因子结合上去，使组蛋白发生乙酰化，释放出DNA，转录得以进行[6]。

至于哪种机制更为合理，有待进一步研究证实。

含有PPRE结构的基因包括乙酰辅酶A合成酶、脂蛋白脂肪酶（LPL）、解偶联蛋白、胰岛素受体底物、瘦素、肿瘤坏死因子（TNF- α）等。PPAR-γ通过对这些基因表达的调控，在脂肪形成、糖、脂代谢、能量代谢中发挥重要的调节作用，并与肥胖、脂代谢紊乱、糖尿病等疾病相关。正如前面实验所证实，PPAR-γ在脂肪细胞分化过程中发挥着极为关键的调节作用。

脂肪细胞的分化是相关基因顺序表达，多种蛋白质相继出现，甘油三酯逐步累积的过程。研究证实，从前脂肪细胞向成熟脂肪细胞分化的过程中有2000多种基因相继表达，PPAR-γ尤其是PPAR-γ2是前脂肪细胞分化过程中重要的调节分子，于细胞分化的早期就开始表达，在分化过程中逐渐增加，最多时可达早期的70倍左右。PPAR-γ不仅能刺激前脂肪细胞分化成为成熟脂肪细胞，使脂肪细胞的数目增加，还可以通过活化脂肪细胞中的LPL、脂肪酸结

合蛋白（aP2）、乙酰辅酶A、葡萄糖转运体4（GLUT4）等，使脂肪细胞中的甘油三酯合成量增加，进而使脂肪细胞增大，导致肥胖的发生[6]。

在未注意到适当抑制PPAR-γ同样能达到改善胰岛素抵抗状态这一现象之前，噻唑烷二酮类药物TZD被广泛运用于Ⅱ型糖尿病的治疗中，其机制为：TZD是PPAR-γ的选择性激活剂，与PPAR-γ结合后，激活PPAR-γ并进一步选择性地促进能够导致胰岛素敏感性提高的下游基因的转录，同时抑制诸如TNF-α和FFA等能够导致胰岛素抵抗的物质基因转录，从而达到改善机体胰岛素抵抗状态的目的。

由于PPAR-γ激活促使脂肪分化，在长期使用TZD类药物后，患者会出现体重增加的现象，进而加重代谢紊乱[7]。有没有即可以改善胰岛素抵抗，又不增加体重的治疗方法呢？

如前所述，对PPAR-γ的活性进行抑制，应该能达到此目的。实验显示：给小鼠使用RXR抑制剂HX531，使其作用于PPAR-γ/RXR-α异二聚体（这相当于部分程度地抑制PPAR-γ的功能），结果在高脂饮食条件下，该类小鼠的胰岛素降血糖能力明显高于未使用抑制剂的对照组，这是我们所期望的结果。进一步抑制，给PPAR-γ基因敲出的小鼠使用HX531（这相当于更为严重地抑制了PPAR-γ的功能），四周后发现，小鼠的白色脂肪组织耗尽，并出现严重的高血糖和胰岛素抵抗症状。以上实验结果表明：PPAR-γ的活性与胰岛素抵抗之间成U型曲线关系[8]，只有对PPAR-γ进行适中程度的抑制时才可以达到我们所期待的目标——改善胰岛素抵抗状态，又不增加体重。这一实验结论，也为研制Ⅱ型糖尿病治疗药物开辟了一个崭新的领域。

二、脂联素——肥胖状态下调节胰岛素敏感性的关键分子

研究表明，在肥胖和Ⅱ型糖尿病状态下，脂联素的表达水平下降。那么脂联素在体内究竟扮演着怎样的角色呢？

脂联素是由脂肪细胞分泌的，脂肪组织特异性的血浆蛋白，分子量较大为28000Da。它由244个氨基酸组成。N末端为胶原重复序列（collagen-like sequence, cAd），C末端为一球状区域（globular region , gAd）。完整的脂联素易被水解，而单独的gAd则易存在于血浆中，并且gAd比完整的脂联素能更有效发挥生物学功能——改善高血糖和高胰岛素血症。

脂联素的信号传导通路（见Figure 2）：脂联素与胰岛素有着相似的代谢作用，其促进骨骼肌及脂肪酸氧化和糖摄入，降低肝糖输出，改善胰岛素抵抗（IR）的作用主要是通过AMPK（5’-AMP-activated protein kinase）途径来实现的。AMPK的活化将降低糖异生中关键酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase , PEPCK）和葡萄糖-6-磷酸酶（G-6-P）的活性，进而降低了血糖。对于小鼠，完整的脂联素和球状的脂联素（gAd）均可以增加骨骼肌中AMPK的磷酸化，而且gAd有更显著的激活AMPK的作用。然而在肝脏中，只有具有更高亲和力的完整的脂联素才可以激活AMPK。在C2C12肌细胞中 ，AMPK磷酸化后进一步激活碳酸酵素（ACC），进而引发脂肪酸氧化，糖摄入和乳酸生成等下游反应的进行。

整个传导过程中，AMPK起着至关重要的作用。脂联素或其受体刺激的脂肪酸氧化，均可部分被AMPK抑制剂DN-AMPK阻断。因此，在肌肉组织中，AMPK的活化对于脂联

，，

素介导的ACC磷酸化，脂肪酸氧化，糖摄入和乳糖生成是必需的[91011]。

Figure 2. Mechanism of sensitizing effect of adiponectin in liver and muscle

对脂联素基因敲出的杂合型（adipo +/-）和纯合型（adipo -/-）小鼠的研究发现，杂合型小鼠有轻微的胰岛素抵抗，而纯合型的小鼠只有在高糖、高脂饮食的情况下才表现出严重的胰岛素抵抗，而正常饮食时则表现出正常的胰岛素敏感性。

其机制为：脂联素基因敲出的小鼠的脂肪细胞中脂肪酸转运蛋白-1（FATP-1）表达量下降，造成FFA不能被及时清除。同时TNF-α表达量上升，血浆中积累大量的TNF-α，骨骼肌细胞的胰岛素受体活性被抑制，葡萄糖转运体（GLUT4）的表达也被抑制。因此高糖、高脂饮食条件下，小鼠容易表现出严重的胰岛素抵抗和葡萄糖不耐受。如果人为地升高小鼠体内的脂联素水平，TNF-α的表达量随之下降，胰岛素抵抗状态也将得到改善。此时人为给与的外源性脂联素，可增强胰岛素导致的抗肝糖输出的作用，从而降低血糖浓度，并通过促进肌肉组织和肝脏对于脂肪的消耗与燃烧来降低细胞内甘油三酯的水平，使餐后FFA水平下降，肝脏和外周组织胰岛素敏感性增强。

三、总结

以上实验证实了PPAR-γ在高脂饮食诱发的肥胖中起到重要的调节作用。而脂联素含量降低又在肥胖所导致的胰岛素抵抗中发挥着关键的作用。Figure 3 总结了由高脂饮食所导致的肥胖和胰岛素抵抗的机制，可把该机制命名为“小脂肪细胞假说”。

Figure3. Molecular mechanism of insulin resistance induced by hypertrophic obesity

( “ small adipocyte ” hypothesis).

小脂肪细胞是由前脂肪细胞分化来的，其聚集的脂类都很小。它可以分泌提高胰岛素敏感性的激素，如脂联素。而前脂肪细胞是无法分泌能提高胰岛素敏感性的激素的，这是脂肪组织萎缩耗尽所导致的胰岛素抵抗的重要原因。高脂饮食通过PPAR-γ诱发脂肪细胞增大（成为大脂肪细胞），引起能提高胰岛素敏感性的激素的表达及分泌量下降，而能导致胰岛素抵抗的激素表达及分泌量上升，进而导致肥胖中的胰岛素抵抗[12]。

因遗传因素或使用人工合成的抑制剂，适当地抑制PPAR-γ的活性，可以降低高脂饮食所造成的肥胖和Ⅱ型糖尿病的发生率。流行病学调查表明，PPAR-γ2基因的Pro12Ala多态性（即12位的Pro变成Ala，也是一种PPAR-γ活性降低的表现），能够减少胰岛素抵抗的发病率。从另一个角度上讲，如果这样的多态性不存在，其胰岛素抵抗的易感性就较高，应该提高警惕。

以上对于“高脂饮食——>肥胖——>胰岛素抵抗”发展轴的分析（见Figure 4），为开

Fifure 4. Fundamental therapies targeting key molecules involved in obesity-induced insulin resistance.

发Ⅱ型糖尿病新药物提供了依据。该发展轴中涉及的两个关键分子PPAR-γ和脂联素的作用在前文已阐述，因此可使用PPAR-γ的适度抑制剂（functional antagonist）来抑制前脂肪细胞的分化，减少白色脂肪组织、骨骼肌及肝脏中甘油三酯的含量，并可以增加脂肪酸的氧化，从而起到抑制肥胖发生、发展的作用；补充脂联素也是个很新颖的想法，但是由于脂联素分子量太庞大，直接补充脂联素分子本身是不切合实际的，所以可以通过使用脂联素受体的激动剂（functional agonist）的方式实现。

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