PPARγ與胰島素抵抗的關系

吳 慧，李曉華，沈春燕※

(上海中醫(yī)藥大學附屬第七人民醫(yī)院a.營養(yǎng)科，b.內(nèi)分泌科，上海 200137)

早在1997年，世界衛(wèi)生組織已經(jīng)正式將肥胖列為一種慢性疾病。研究發(fā)現(xiàn)，脂肪細胞不僅是一個儲存脂質(zhì)的場所，還是一個內(nèi)分泌器官，分泌多種細胞因子，可直接參與調(diào)節(jié)脂肪組織乃至整個機體的代謝[1]。肥胖可引起各種代謝綜合征，其共同的病理基礎是胰島素抵抗(insulin resistance,IR)，且與高脂飲食密切相關。脂肪組織是IR的始發(fā)部位，脂肪細胞肥大、分化異常以及脂肪組織慢性炎性狀態(tài)是導致IR的重要原因[2]。

脂肪細胞的增殖與分化由多種基因調(diào)控，其中最主要的調(diào)控基因是過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferators activated receptor γ,PPARγ)[3]。PPARγ在調(diào)節(jié)脂類代謝以及脂肪巨噬細胞極化、脂肪細胞因子分泌中扮演著重要角色。脂肪細胞的分化異常和脂肪細胞因子的分泌異常是導致脂肪組織慢性炎癥狀態(tài)的主要原因，PPARγ通過調(diào)控脂肪細胞的分化和脂肪細胞因子分泌兩個途徑直接參與整個IR的發(fā)展過程。因此，了解PPARγ的結構特征、表達特性以及在脂肪分化、脂肪細胞因子分泌中的作用機制等，對于尋找有效改善IR的干預措施具有重要的理論意義和實用價值。現(xiàn)就PPARγ基因的結構特征，在脂肪組織增殖分化、脂肪細胞因子分泌中的作用，參與IR的過程，PPARγ與IR關系進行綜述。

1 PPARγ基因概述

PPAR于1990年首先被Issemann和Green[4]發(fā)現(xiàn)，其屬于Ⅱ型核內(nèi)激素受體超家族成員，可分為α、β、γ 3種亞型，PPARγ是研究最為廣泛的一個亞型[5]。因PPARγ在脂肪細胞分化、巨噬細胞極化以及脂肪細胞因子分泌中起重要作用，已被證實是2型糖尿病IR、肥胖癥、血脂異常等疾病的治療靶點。

1.1分型與結構 人PPARγ基因位于3號染色體3p25，含有9個外顯子，可轉錄生成4種異構體，根據(jù)其啟動子及選擇性剪接方式的不同分為PPARγ1- 4。PPARγ1主要分布在心血管、肺組織、結腸、小腸以及肝腎組織等[6]；PPARγ2主要分布在脂肪組織；PPARγ3主要分布在巨噬細胞、T淋巴細胞；PPARγ4的分布尚不清楚[7]。PPARγ由A～F6個結構區(qū)域組成，包含4個主要的結構功能域：①非配體依賴的轉錄活化域，區(qū)域A/B，AF- 1(activation function- 1)結構域是激酶磷酸化的靶點，磷酸化AF- 1后可抑制PPARγ的活性。②DNA結合結構域(DNA binding domain,DBD)，區(qū)域C，其中高度保守的鋅指結構可促進受體與靶基因啟動子區(qū)DNA序列的結合。③轉錄活性調(diào)節(jié)結構域，區(qū)域D，核內(nèi)因子與轉錄活性調(diào)節(jié)結構域中輔因子的停泊位點結合可影響PPARγ的活性。④配體結合結構域(ligand binding domain,LBD)，區(qū)域E/F，位于C端，配體結合區(qū)與配體結合可形成異源二聚體，AF- 2與輔助因子結合有加速作用，最終協(xié)助完成轉錄過程[8]。見圖1。

AF- 1：非配體依賴的轉錄活化域(A/B)；DBD：DNA 結合結構域(C)；HD：轉錄活性調(diào)節(jié)結構域(D)；LBD/AF- 2：配體結合結構域(E/F)

圖 1 PPARγ 蛋白結構模式圖

1.2激活物與配體 PPARγ是配體依賴性轉錄因子。PPARγ的配體主要是多種脂肪酸及其衍生物，分為天然配體和合成配體兩種。天然配體主要來源于食物和機體的代謝產(chǎn)物(包括亞油酸、亞麻酸、花生四烯酸等長鏈多聚不飽和脂肪酸以及一些類花生酸衍生物)和前列腺素(prostaglandin，PG)類(包括PGA、l,5- 脫氧前列腺素J2等)，天然配體的特異性較低。人工合成配體包括胰島素增敏劑噻唑烷二酮(thiazolidinedione,TZD)類藥物(如曲格列酮、吡格列酮等)和非甾體抗炎藥(如吲哚美辛、氟芬那酸等)[9]，其特異性較強。

PPARγ基因與其配體形成復合物后被激活。與視黃醛類X受體(retinoid X receptor,RXR)結合形成異源二聚體PPARγ- RXR。被激活后的信號轉導途徑主要包括：①通過DBD中的鋅指結構與靶基因啟動子上的過氧化物酶體增殖反應元件(peroxisomal proliferation reaction element,PPRE)結合，調(diào)節(jié)轉錄過程，抑制或激活靶基因的表達。PPRE存在于多種糖脂代謝相關基因編碼的蛋白中，如脂肪酸合成酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶以及葡萄糖轉運子4等[10]。②通過AF- 1結構域調(diào)節(jié)PPARγ的磷酸化狀態(tài)，參與促分裂原活化的蛋白激酶以及磷脂酰肌醇- 3- 激酶活性的調(diào)節(jié)[11]。此外，PPARγ也可結合并活化T細胞核因子、p50和p65，競爭性抑制炎癥信號通路和炎癥介質(zhì)的生成，抑制炎癥反應[12- 13]。

PPARγ作為激素、內(nèi)源性代謝物及外源性化合物的傳感器，調(diào)控大量與糖脂代謝相關的基因的表達，是脂肪細胞增殖與分化、胰島素信號轉導的重要調(diào)節(jié)因子[7]。

2 PPARγ與脂肪組織

2.1脂肪細胞分化 脂肪組織是人體貯存能量的器官，有白色脂肪組織(white adipose tissue,WAT)和棕色脂肪組織(brown adipose tissue,BAT) 兩種。WAT源于脂源性細胞，分布于整個機體，不僅貯存能量，還是最大的內(nèi)分泌器官，尤其是內(nèi)臟脂肪。BAT源于肌源性細胞，隨著年齡的增長而逐漸減少，至成年時在機體的分布極少，其作用主要是產(chǎn)熱。成熟的WAT不能進行細胞分裂，必須通過增殖分化形成新的脂肪細胞才能儲存體內(nèi)產(chǎn)生的多余能量。若分化異常可導致脂肪細胞肥大、內(nèi)分泌功能紊亂，并介導糖脂代謝紊亂、慢性炎癥等過程，繼而引發(fā)相關疾病。

脂肪細胞的分化分為兩個階段。決定階段，骨髓間充質(zhì)干細胞接收外界信號開始分化形成前體脂肪細胞，但目前對其具體的分子機制還不了解[14]。終末分化，即前體脂肪細胞分化為成熟脂肪細胞，包括三個階段：①有絲分裂克隆增殖階段。前體脂肪細胞發(fā)生融合和接觸抑制后進入細胞周期，細胞數(shù)目增多，形態(tài)由纖維狀變?yōu)閳A形。CCAAT增強子結合蛋白 (CCAAT enhancer binding proteins，C/EBPs)家族的β和δ亞型大量表達，開始啟動細胞分化。②終末分化階段。此階段細胞進入生長靜息期，轉錄因子如PPARγ和C/EBPα大量表達，激活相關基因的表達，脂滴積累使細胞形態(tài)進一步變圓。③脂肪細胞成熟階段：脂肪細胞被單一的大脂滴填充，表面標志基因大量表達，并分泌各種細胞因子，直接參與到胰島素敏感性、能量平衡調(diào)控等過程。在分化過程中，涉及一系列的轉錄級聯(lián)事件，其中PPARγ和C/EBPs調(diào)控大部分與脂肪增殖相關的基因的表達[15]。沉默C/EBPα基因，PPARγ仍可單獨啟動脂肪合成相關基因的轉錄；而沉默PPARγ基因后，C/EBPα 不能單獨作用于脂肪分化[16]。

目前尚未發(fā)現(xiàn)某種細胞因子在敲除PPARγ基因的情況下能夠單獨促使脂肪細胞分化[17]。PPARγ基因敲除小鼠的脂分化能力喪失，表現(xiàn)為脂肪萎縮、IR等[18]。很多參與脂肪生成的關鍵信號通路最終也是通過PPARγ和CEBPs起作用的，如Kruppel樣轉錄因子蛋白家族[19]、細胞周期蛋白、去磷酸化的Rb蛋白、細胞周期蛋白D3及周期蛋白依賴性激酶6復合體可通過磷酸化增強PPARγ的轉錄活性，而細胞周期蛋白D1可抑制其轉錄活性[20]。腫瘤壞死因子- α(tumor necrosis factor α，TNF- α)和白細胞介素(interleukin，IL)- 1等細胞因子可磷酸化PPARγ的AF- 1結構域，從而抑制脂肪細胞分化[21]。脂肪分化過程涉及非常復雜的轉錄調(diào)控網(wǎng)絡，很多機制目前尚不清楚，需要進一步探索。

2.2脂肪巨噬細胞M1/M2極化 巨噬細胞在體內(nèi)外不同微環(huán)境的影響下，尤其是炎癥反應的不同時期可分化出不同表型，并表現(xiàn)出功能上的差異，這種現(xiàn)象稱為極化。脂肪組織巨噬細胞按照被激活的方式和免疫功能分為經(jīng)典活化型(M1型)和替代活化型(M2型)。M1由脂多糖、γ干擾素等激活，促進輔助性T細胞1型免疫應答，分泌TNF- α、IL- 6等，在炎癥早期促進炎癥反應，但也會導致炎癥反應過度，造成細胞損傷。M2由IL- 4、IL- 13等激活，可促進輔助性T細胞2型免疫應答，分泌TGF- β、IL- 10 等，主要參與抗炎、促進組織修復等。但這并不是“非黑即白”的，在特定微環(huán)境下可以相互轉換。在非肥胖個體中趨向于M2型發(fā)揮抗炎作用[22]；而在肥胖個體中，營養(yǎng)物質(zhì)大量堆積引起低氧、氧化應激以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，導致巨噬細胞大量浸潤并聚集在死亡的脂肪細胞周圍，趨向于M1型發(fā)揮促炎作用[23]。不同脂肪酸類型對巨噬細胞的影響也不同，飽和脂肪酸傾向于M1/M2混合型極化，而多不飽和脂肪酸傾向于抑制巨噬細胞M1型極化[24]。

內(nèi)臟脂肪組織的誘導性調(diào)節(jié)性T細胞(inducible Treg,iTreg)高表達PPARγ，與正常飲食小鼠相比，高脂飲食誘導的肥胖小鼠內(nèi)臟脂肪組織中iTreg的數(shù)量及比例顯著下降[25]。在PPARγ缺失的突變體內(nèi)，iTreg細胞的數(shù)量下降到10%以下，同時伴有M1型極化及IR。激活PPARγ受體可直接促使M2型極化，因其廣泛存在于單核- 巨噬細胞體系。有研究發(fā)現(xiàn)，在IL- 4誘導的M2型巨噬細胞內(nèi)PPARγ顯著上調(diào)，但在PPARγ失活的情況下，即使有IL- 4的刺激，巨噬細胞仍不能被誘導為M2型極化[26]。PPARγ基因敲除后M2活化的功能性標志Arg1的合成被抑制50%以上[27]。在脂多糖刺激M1極化過程中，核因子κB(nuclear factor κB，NF- κB)起到了不可或缺的作用，PPARγ可直接與NF- κB結合，還可通過競爭結合輔助激活因子CBP和p300，抑制NF- κB的轉錄，抑制 M1型極化[28]。

2.3脂肪細胞因子 脂肪組織中主要是WAT合成和分泌多種細胞因子，如脂聯(lián)素、瘦素、游離脂肪酸以及抵抗素等，廣泛參與機體的各種生理代謝過程。

2.3.1脂聯(lián)素 又稱脂肪細胞補體相關蛋白。人脂聯(lián)素基因位于染色體3q27，其是代謝綜合征的易感位點，與糖尿病和心血管疾病的易患性相關[29]。脂聯(lián)素由244個氨基酸組成，包含球狀域、膠原域、可變域和氨基端信號序列4個區(qū)域，其中球狀區(qū)是生物活性的關鍵部位，與TNF- α的結構相似，與補體CP- 1有很高的同源性。女性脂聯(lián)素的水平明顯高于男性，無明顯晝夜節(jié)律，與年齡無關，與體質(zhì)量有關，肥胖者脂聯(lián)素的水平較低，體重下降時水平回升[30]。脂聯(lián)素的分泌受胰島素、PPARγ、TNF- α等的調(diào)節(jié)，是胰島素的增敏激素，與脂肪組織體積呈負相關[31]。胰島素可作用于脂聯(lián)素基因，促進其表達和轉錄，從而增加脂聯(lián)素的合成和分泌。PPARγ可通過促進脂肪細胞分化，進而增加小脂肪細胞的數(shù)量以及細胞膜上胰島素受體的數(shù)目，最終上調(diào)脂聯(lián)素的表達[32]。TZDs可作用于脂聯(lián)素啟動子區(qū)域的PPARγ結合位點，誘導脂聯(lián)素產(chǎn)生。因脂聯(lián)素球狀域結構與TNF- α類似，因此兩者互為拮抗。

2.3.2瘦素 是肥胖基因的編碼產(chǎn)物。人類肥胖基因位于染色體7q31.3，是一個含有167個氨基酸密碼的DNA序列，瘦素的二級結構中包含α螺旋和β 折疊，為一個球狀結構，在序列上與任何其他已知的蛋白無同源性。瘦素呈脈沖式分泌，有明顯的晝夜節(jié)律性，在夜間20:00至次日3:00為最高峰，至中午最低[33]。瘦素的表達和分泌受多種因素影響，起促進作用的有胰島素、糖皮質(zhì)激素、TNF- α以及雌激素等，起抑制作用的有雄激素、非酯化脂肪酸以及生長激素等[34]。瘦素的主要功能是調(diào)控機體能量代謝平衡，包括減少脂肪合成和存儲、抑制食欲、降低體重等。中樞注射瘦素或轉染瘦素基因的小鼠能迅速緩解高脂飲食誘導的肥胖及IR[35]。雖然瘦素不能直接誘導脂肪細胞凋亡，但能直接抑制前脂肪細胞的分化成熟過程，進而減少脂質(zhì)堆積在脂肪細胞中。瘦素還抑制TZDs誘導的PPARγ的表達[36]。在脂肪組織 PPARγ失活的情況下，因脂肪細胞生成減少，肥大脂肪細胞顯著增多，使游離脂肪酸(free fatty acid,FFA)和三酰甘油升高，從而降低瘦素和脂聯(lián)素的表達[37]。在PPARγ基因的Pro12Ala多態(tài)性人群中，由于PPARγ的活性降低，瘦素水平下降，脂肪細胞數(shù)量增多，從而加重脂代謝紊亂[38]。

2.3.3抵抗素 人類的抵抗素基因位于染色體19p13，是由108個氨基酸殘基組成的多肽。Seppan等[39]研究TZDs對脂肪細胞PPARγ的作用機制時發(fā)現(xiàn)的抵抗素，因其可抑制胰島素信號轉導通路，抵抗胰島素的作用而得名。抵抗素主要分布在外周血單核細胞和巨噬細胞中，其表達和分泌受多種因素影響，起促進作用的因素有生長激素、甾體類激素、PPARγ、衰老以及高血糖等，起抑制作用的因素有空腹、甲狀腺素、腎上腺素、異丙腎上腺素等[40]。有實驗觀察到，在高糖條件下，外源性抵抗素基因的表達能刺激細胞PPARγ受體表達的下降，影響脂代謝并增加FFA的含量，間接促進了IR的形成[41]。

2.3.4成纖維細胞因子21 是由210個氨基酸殘基組成的多肽，主要由脂肪組織和肝臟分泌，具有改善胰島β細胞功能、提高胰島素敏感性、降低血脂水平等作用。體外成纖維細胞因子21可能是通過細胞因子信號抑制物、PPARγ等減少胰島細胞中生長激素信號的表達，抑制胰島細胞的增殖及胰島素的分泌[42]。

2.3.5視黃醇結合蛋白4(retinol binding protein 4,RBP4) 人RBP4基因定位于10q23～q24，編碼201個氨基酸的前體蛋白，負責結合、轉運全反式視黃醇及其載體蛋白質(zhì)。RBP4還是一種參與IR的重要脂肪因子，其表達和分泌受多種因素影響，起促進作用的有胰島素、糖皮質(zhì)激素、地塞米松、TZDs等，而TNF- α則抑制其表達[43]。

3 PPARγ與IR

IR指各種原因?qū)е碌囊葝u素生物活性降低，主要表現(xiàn)為外周組織(尤其是肝臟、肌肉和脂肪組織等)對胰島素的敏感性降低，對葡萄糖的攝取和利用效率降低。IR是2型糖尿病的原發(fā)病理生理事件，現(xiàn)在認為脂肪組織是IR的始發(fā)部位，脂肪細胞肥大、慢性炎性狀態(tài)以及脂肪組織異常分化是導致IR的重要原因。

3.1脂肪分化 WAT分化后可抑制IR，其機制主要是小脂肪細胞數(shù)量增多，細胞膜上胰島素受體增多,敏感性增強，促進外周組織對葡萄糖信號的轉導,通過PPARγ- RXR結合于靶基因啟動子上的PPRE，激活脂肪組織特異性的基因表達，促進前脂細胞的分化過程[44]。PPARγ基因敲除小鼠，脂肪分化障礙，F(xiàn)FA增多，脂肪細胞膜上胰島素受體數(shù)量減少[18]?！爸拘浴庇^點認為，F(xiàn)FA短時間內(nèi)可有效促進機體內(nèi)胰島素的分泌，但長期處于高FFA狀態(tài)會對胰島β細胞產(chǎn)生脂毒性，明顯損害其結構和功能，使胰島素分泌障礙，嚴重時導致細胞壞死[45]。

3.2脂肪組織慢性炎癥 巨噬細胞大量浸潤是脂肪組織慢性炎癥的重要標志。肥胖個體中以M1型細胞為主，引發(fā)慢性炎癥和胰島素耐受。肥胖者在體質(zhì)量下降過程中，M2型細胞逐漸增多，阻止炎癥反應，維持脂肪代謝和組織穩(wěn)態(tài)[46]。巨噬細胞中PPARγ基因敲除后，M2型細胞極化及功能受損，Arg1表達減少，炎癥信號通路增強[2]。大量巨噬細胞浸潤脂肪組織后又釋放細胞因子加劇炎癥反應。②瘦素受體也表達于巨噬細胞和單核細胞，肥胖過程中瘦素激活NF- κB通路，使內(nèi)皮細胞中的趨化因子和黏附分子表達上調(diào)，進而使單核細胞在外周循環(huán)中的數(shù)量增多，脂肪組織炎性因子浸潤增強，進而發(fā)生M2型極化[47]。PPARγ可直接抑制NF- κB的轉錄，抑制M1型極化。脂聯(lián)素可促進M2型極化。③M1型細胞分泌的TNF- α和IL- 6是IR的主要的炎性因子。TNF- α可抑制脂聯(lián)素、RBP4等參與IR的細胞因子的表達，促進瘦素、抵抗素表達，從而加重IR。大量的IL- 6對胰島β細胞有細胞毒作用，嚴重時可導致其凋亡。IL- 6與受體結合后可作用于胰島素信號轉導通路，降低胰島素敏感性[45]。PPARγ激活后能夠通過磷脂酰肌醇- 3- 激酶途徑，促進胰島素信號轉導，改善IR。

3.3細胞因子 在IR過程中，細胞因子起著雙向調(diào)節(jié)的作用。

3.3.1脂聯(lián)素 PPARγ的激活可增加脂肪組織中脂聯(lián)素的表達，從而激活骨骼肌和肝臟AMP活化的蛋白激酶(AMP- activated protein kinase,AMPK)的磷酸化，通過增加葡萄糖轉運子4向細胞膜易位，增加肌肉中葡萄糖的轉運，減少肝中葡萄糖的生成，增加胰島素的敏感性[48]。AMPK是三大物質(zhì)代謝的關鍵酶，主要作用是協(xié)調(diào)代謝和能量的需要，短期內(nèi)啟動分解途徑，同時關閉合成代謝途徑，長期則通過調(diào)節(jié)基因表達調(diào)節(jié)三大物質(zhì)代謝，被稱作“能量感受器”。TNF- α通過影響蛋白激酶C和C- Jun氨基端激酶家族信號通路，IL- 6 通過影響p44/42促分裂原活化的蛋白激酶信號通路，下調(diào)脂聯(lián)素的表達[49]，分泌細胞因子，介入炎癥反應。PPARγ激活脂聯(lián)素的表達后，可減少TNF- α的釋放，解除TNF- α介導的胰島素信號轉導抑制[50]。

3.3.2瘦素 外周存在一個“脂肪- 胰島素”軸，是瘦素和胰島素的反饋通路，瘦素能夠抑制胰島β細胞的生物合成和胰島素分泌，胰島素能刺激脂肪組織分泌瘦素。若“脂肪- 胰島素”反饋機制被破壞，瘦素抵抗和IR常共同存在，在2型糖尿病患者中較常見到[51]。瘦素通過激活AMPK和誘導PPARα/γ基因表達，刺激骨骼肌和其他部位脂肪酸的氧化，若瘦素抵抗則會加重IR[52]。瘦素作為細胞因子也參與了炎癥反應，急性炎癥時多種細胞因子能提高體內(nèi)瘦素的水平，且呈劑量依賴關系，提示瘦素也介導IR的炎癥反應。

3.3.3抵抗素 可下調(diào)肝臟、骨骼肌、脂肪組織中AMPK的活性，影響機體的能量代謝，導致IR；可阻礙胰島素信號轉導中的關鍵通路：胰島素受體和磷脂酰肌醇- 3- 激酶/蛋白激酶B通路，影響肝糖原輸出，升高血糖；可通過影響肝臟脂代謝，增加肝臟FFA的含量，誘導肝臟脂肪變性和IR[53]。抵抗素在巨噬細胞和單核細胞中高表達，提示抵抗素可能作為促炎癥反應的標志物，介導IR的炎癥反應。

4 結 語

脂肪組織是IR的始發(fā)部位，PPARγ在脂肪組織分化、巨噬細胞極化、脂肪細胞因子的分泌等方面發(fā)揮重要作用，通過介導糖脂代謝、胰島素信號因子轉導、慢性炎癥反應等環(huán)節(jié)，直接或間接影響IR的發(fā)生發(fā)展。目前PPARγ的研究報道已有很多，但仍有許多問題尚待深入研究，如PPARγ在脂肪細胞分化中準確的調(diào)控機制，以及在脂肪巨噬細胞極化過程中，PPARγ與各個細胞因子作用的分子通路與IR的關系以及它們之間的相互作用等。但以PPARγ和脂肪組織為研究靶點，對于防治IR相關疾病仍具有重要指導意義。