LGR4基因對脂肪轉化與能量代謝的作用及其與運動協同調節機制分析

王 勇，劉艷秋，劉 剛

（1.三明學院，福建三明365004;2.北京體育大學，北京100084）

0 引言

肥胖作為最重要的、廣泛的世界性公共衛生問題之一，已經嚴重威脅人類健康。肥胖主要與機體長期處于能量攝入過多而消耗少造成代謝不平衡有關。攝入過剩的能量轉化為甘油三酯（Tri?glyceride，TG）儲存在脂肪細胞中形成了肥胖。大量研究主要從運動、膳食、生活方式途徑探討肥胖控制問題[1-2]，但也有部分研究者注意到肥胖的遺傳特征明顯，基因在個體肥胖易感性方面起到關鍵作用[3-4]。糖蛋白激素受體（leucine-rich repeatcontaining G-protein coupled receptor 4，LGR4）在多種組織的發生、發展中起重要作用,研究發現肥胖者白色脂肪中LGR4表達明顯增加，對于全身性LGR4基因敲除后的小鼠表現出食欲亢進，白色脂肪減少、基礎代謝率增加，同時對高脂誘導的肥胖明顯抵抗，證實LGR4參與脂肪活性調節與脂肪轉化過程，對能量代謝及肥胖發生起到重要作用[5-6]。本文綜述LGR4基因與脂肪轉化、能量代謝方面的最新研究成果的研究進展，分析其在脂肪活性水平的調節、轉化以及能量代謝等方面的作用，探討運動與LGR4基因在脂肪轉化、能量代謝方面可能存在的關聯性機制。

1 人體脂肪形式、調節與轉化現象

1.1 機體組織中脂肪形式及生理特征

近期研究表明，人體脂肪組織有多種形式，包括白色脂肪組織（White adipose tissue，WAT）、棕色脂肪組織（Brown adipose tissue，BAT）、米色脂肪細胞（Beige cell）等，三者在生物學特征方面表現不同[7-9]（見表1）。WAT的作用是將體內過剩的能量以TG的形式儲存，同時作為分泌細胞可分泌多種因子用于能量代謝的調節過程；BAT內部含有豐富的線粒體，研究顯示，BAT主要是通過線粒體內膜表面豐富的解偶聯蛋白1（UCP1）加強線粒體氧化磷酸化過程解偶聯并促進游離脂肪酸的代謝，以此消耗體內的過剩能量，是一類以能量消耗為特征的脂肪細胞。研究也表明BAT活性與體質指數、空腹狀態下的血糖水平、年齡等因素存在關聯，結果顯示BAT的含量與身體健康呈現出正相關；Beige cell散布在白色脂肪組織，UCP1呈現陽性，表現出類似于棕色脂肪細胞樣表型，同BAT一樣有細胞中有大量線粒體，具有高效燃燒能量的作用[10]。有研究認為，BAT和米色脂肪細胞是潛在干預肥胖的靶細胞[11]，對其深入研究具有重要的臨床意義。目前，在成年人身上的棕色脂肪與米色脂肪的含量非常少，大多數是具備儲存能量的白色脂肪細胞，三者雖然同屬脂肪組織，但起源不相同，一定條件下可發生相互轉化。

1.2 脂肪組織間的轉化過程

WAT、BAT和Beige cell三者細胞的前體細胞并不相同，但在一定條件下三者之間有復雜的轉化過程（見圖1）：（1）Beige cell雖然散布在WAT細胞當中但是二者的前體細胞卻并不相同，有研究表明，一方面在缺乏誘導產熱基因表達刺激的情況下，Beige cell的前體細胞可分化為單室的WAT細胞，但在β腎上腺素能激動劑刺激的情況下，Beige cell前體細胞則可分化為多室、富含線粒體的米色脂肪[12]；（2）BAT與Beige cell雖然在生理特性上具有很多相似之處，但二者卻有著不同的起源，來源于表達Myf5細胞系的棕色脂肪細胞是經典棕色脂肪細胞，研究發現，PRDM16（PR域16蛋白）在BAT中的表達有較為明顯的增加，UCP-1等棕色脂肪特異性基因可被其誘導表達[13]。因此，PRDM16作為棕色脂肪的標志基因，對于控制BAT細胞及Beige cell定向分化過程起到關鍵作用，研究認為，PRDM16通過與其他轉錄因子如Ppar-γ、c/EBPβ等共同作用發揮定向分化的能力，促進BAT及Beige cell的產生，并同時抑制WAT的形成，而小鼠敲除PRDM16基因后棕色脂肪細胞分化為肌細胞，而轉染PRDM16基因后，骨骼肌細胞又會分化成為Beige cell，表明二者有著共同的起源，而且PRDM16基因是調控分化的“分子開關”；San?chez-Gurmaches等[14]研究認為Beige cell是來源于不表達Myf5的細胞系，說明二者有著不同的起源。有研究發現[15]，有氧運動和抗阻運動在白色脂肪棕色化轉化過程中有較好的表現，但具體的轉化過程和機制尚不明確。

表1 三種脂肪細胞生物學特性比較

圖1 脂肪細泡的分化、轉化及主要相關影響因素

2 LGR4基因生物特征與調節功能

糖蛋白激素受體LGR4作為G蛋白偶聯受體之一，廣泛存在于人體內，不僅可以介導多種細胞外信號的細胞反應，而且還是一類最重要的細胞膜受體，介導多種信號分子的轉導過程，對于多種器官的發生、發展起到至關重要的作用。LGR4的結構特點是具有7個跨膜結構的大分子蛋白和17個富含亮氨酸重復序列，在腎臟、腎上腺、骨骼等處均有表達，并參與了機體能量代謝平衡的調節，影響血壓、血糖的調節。研究表明[16]，LGR4與肥胖明顯相關，LGR4基因敲除的小鼠模型，通過表型觀察，雖然在高脂膳食下小鼠食物的攝入量、熱量等數值顯著高于正常小鼠，糖耐量改善，消耗增強，代謝水平提高，體重明顯減輕，同時發現體內的WAT減少，轉化為BAT，表明LGR4在BAT的活性功能調節、白色脂肪向棕色脂肪轉化等過程中起到重要作用，也表明對體內脂肪堆積肥胖的發生和發展中起到重要作用，因此有研究者認為可以把LGR4基因作為分子靶點或藥物作用靶點，用于篩選或制備促進白色脂肪棕色化、提高代謝水平的藥物，通過對體內LGR4基因的敲除或抑制，把儲存能量的白色脂肪細胞轉換成具有消耗能量性質的棕色脂肪細胞。

3 運動在脂肪轉化以及能量代謝中的調節作用

運動在體內的各種脂肪細胞的轉化和能量代謝的調節涉及體質、肥胖及健康領域的諸多問題,成為研究熱點。研究表明，運動能有效增加能量消耗[17-18]，有助調節脂肪轉化及能量代謝過程，是提高健康水平的最積極有效的方式，而運動促進健康效益是基于能量的消耗[19]。主要調節途徑包括：（1）運動能有效改善機體內能量代謝[20]。運動時是通過增加肌肉做功，增加肌細胞耗氧、耗能而使能量代謝率升高。安靜狀態下，也能有效提高機體靜息能量代謝水平，而研究者普遍認為靜息能量代謝水平的提高常常是機體能量消耗過程的關鍵，對于健康具有積極意義。（2）運動能夠有效提高骨骼肌代謝水平[21]。研究表明，運動促進骨骼肌肥大和生成現象，能有效提高基礎代謝，而骨骼肌代謝內的雷帕霉素靶蛋白（mam-malian target of rapamycin，mTOR）是其重要代謝通路，通路中肝激酶B（liver kinase B，LKB）-腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK）-mTOR是一條重要信號途徑，其中AMPK是細胞的能量感受器，而LKB在能量充足情況下可以直接磷酸活化AMPK，因此這一通路與細胞能量代謝密切相關。（3）運動在脂肪代謝調節中的作用。過氧化物酶體增殖物活化受體γ協同刺激因子1（PGC-1）是一類輔激活因子，大量研究表明[22]，運動可上調PGC-1的表達以及提高其活性，進而促進線粒體生物合成增加、氧化磷酸化能力增強、毛細血管密度增加、氧化型肌纖維比例增多等多個方面來調控能量代謝。同時PGC-1與脂肪代謝有關，參與調控白色脂肪組織的棕色化分化過程及熱生成，對于能量代謝有積極性作用[23]。

4 LGR4基因與運動在脂肪轉化與能量代謝中相關性機制研究

4.1 LGR4基因在脂肪轉化與能量代謝中的表現

肥胖具有典型的遺傳特征，開展對于參與能量代謝的相關基因研究，并對其作用的可能性機制進行研究，對于肥胖癥的預防治療具有重要意義。劉瑞欣等[24]以LGR4基因敲除小鼠模型，觀察正常飲食與高脂飼料誘導野生型（WT）與基因敲除（KO）小鼠的能量代謝相關指標，對BAT活性以及WAT的能量代謝相關基因的改變情況等進行了研究，發現在高脂飲食誘導條件下，LGR4基因敲除后的小鼠攝食量有明顯增加，然而體重呈現偏輕，表明LGR4基因敲除小鼠對肥胖過程產生較為明顯的抵抗；同時通過代謝籠試驗證實LGR4基因敲除后的小鼠雖然活動度并未出現改變，但由于基礎代謝率有了明顯增加，體溫偏高，同時觀察到LGR4基因敲除后的小鼠體內BAT活性增強，細胞內線粒體數目明顯增加，WAT明顯減少，棕色脂肪特異性標志蛋白UCP1的表達在冷凍應激下增強，與能量代謝相關基因的表達出現上調等現象。因此，研究認為LGR4敲除后的小鼠BAT活性增強與WAT發生棕色化轉化，是小鼠能量代謝率明顯增加的主要原因，主要途徑可能是通過LGR4影響PGC-lα基因的活性，并進而調節UCP1的表達，增加了機體WAT與BAT的能量代謝。敲除LGR4基因后小鼠的基礎代謝率明顯增加，能量消耗加大，導致體脂含量有效降低，而對于其他各項代謝指標包括血糖、血脂、血壓等均有顯著性改善，有效降低和改善體內能量代謝降低肥胖危害。

4.2 LGR4基因與運動在脂肪轉化與能量代謝中相關性機制分析

LGR4基因的缺失或表達下調對白色脂肪向棕色脂肪、米色脂肪轉化及能量代謝起到積極作用，LGR4表達的下調可致BAT活性增強與WAT發生棕色化改變是其代謝率增加的主要原因。LGR4基因與運動在脂肪轉化與能量代謝中的可能性機制：①研究表明，LGR4基因的缺失或抑制將促進肝臟與脂肪組織PGC-1α、Akt基因表達水平明顯增加，其磷酸化水平均有了明顯提高，PGC-1α和下游調節基因表達上調，有效提高了機體中胰島素敏感性，將有效提高外周組織對葡萄糖和脂質的利用。②有效激活骨骼肌及脂肪細胞內的AMPK活性。AMPK在調節脂肪轉化及能量代謝信號轉導機制中發揮關鍵作用，通過其及相關的信號通路調節細胞能量代謝及脂肪細胞分化，并通過抑制細胞內成脂分化的標志性基因PPARγ和C/EBPα的表達抑制白色脂肪前體細胞3T3-L1的增殖及分化，進而抑制WAT的形成；AMPK在BAT的分化過程中也發揮著重要作用，有效促進BAT的正常分化；米色脂肪細胞在AMPK作用下高表達UCP1，增強氧化呼吸率。③誘導PGC-1α基因表達，進而調節UCP1的表達，增加了機體BAT與WAT的能量代謝過程。研究表明，運動可通過鈣調神經磷酸酶（calcineurin）、p38絲裂原活化蛋白激酶（p38MAPK）、AMPK、兒茶酚胺、心鈉肽等上調PGC-1的表達，進而引起線粒體生物合成增加、氧化磷酸化能力增強、毛細血管密度增加、氧化型肌纖維比例增多、白色脂肪棕色化等多個方面來調控能量代謝。④促進PGC-1α基因下游分子Ⅲ型纖連蛋白結構域5（fibronectin type III domain con?taining protein 5，FNDC5）的裂解，隨后在體內FNDC5被剪切轉變為鳶尾素（Irisin），而Irisin專門靶向作用于米色細胞，其可以將白色脂肪轉換成米色脂肪細胞，棕色脂肪細胞的特征亦被驅動。⑥降低肌肉生長抑制素（myostatin，MSTN）活性，通過激活AMPK-PGC1-FNDC5途徑誘導白色脂肪組織的棕色化，MSTN基因敲除的小鼠表現出骨骼肌肥大、脂肪量降低，在WAT表現出BAT的特征，增加了BAT特征基因，包括UCP1、PGC-1、米色脂肪細胞(beige)的標記基因Tmem26和CD137，骨骼肌內MSTN基因敲除導致AMPK表達和磷酸化增加，進而激活PGC-1和FNDC5。⑦研究[26]認為，LGR4通過PKA信號通路調節Rb基因的表達并參與Beige/Browning過程。

5 小結與展望

LGR4基因對于脂肪轉化與能量代謝影響的相關性機制目前尚無完整、全面的解釋，但大量的研究已經把抑制或敲除LGR4基因作為預防肥胖的靶點，相信通過對LGR4基因表達的干預將對三種脂肪細胞的轉化起到關鍵影響，進而增強機體的能量代謝過程，為臨床肥胖及能量代謝障礙的干預治療提供思路。