模式生物黑腹果蠅在高糖誘導代謝綜合征研究中的應用進展

吳棋芳 何 丹 吳明江 佟海濱

溫州大學生命與環境科學學院，浙江溫州 325000

代謝綜合征（metabolic syndrome，MetS）是指胰島素抵抗、肥胖、血脂異常、高血壓、高尿酸血癥等多種代謝危險因素同時發生的綜合征；也是一種病理生理狀態，包括2型糖尿病（type 2 diabetes，T2D）、非酒精性脂肪肝、痛風、心血管疾病與慢性腎臟疾病等[1-2]。研究表明，隨著人們飲食結構的變化，高糖飲食（high sugar diet，HSD）已經成為導致代謝綜合征發病率逐年增長的重要危險因素之一[3]。

糖代謝對細胞能量平衡和生物合成至關重要。從食物中攝取的糖類，一部分直接轉化為能量供機體使用，其余則以糖原和脂肪形式儲存[4]。然而糖攝入過量會破壞體內的代謝穩態，從而引發一系列的代謝性疾病，嚴重影響人類生命健康。

建立科學、穩定的動物模型有助于深入研究代謝綜合征的發病機制并制定科學的干預策略。目前，嚙齒類動物是研究代謝綜合征應用最廣泛的模式生物，常用的造模方法包括飲食誘導、化學物質誘導、外科手術和基因敲除[5]。食物誘導模型可模擬環境因素，成模率較高，但其造模時間長、動物接受度差、個體差異大，導致模型不穩定；化學物質誘導模型是通過給予特定的化學物質，如鏈脲佐菌素、四氧嘧啶、地塞米松等造模，操作簡單、成模率高，但與代謝綜合征的病理成因不同，局限性較大；基因敲除建模是借助基因工程技術修飾特定基因以獲得代謝紊亂表型，但代謝綜合征是環境因素與多基因互作的結果，且技術和成本較高、研制周期長。因此，選擇合適的模型對于代謝綜合征的研究顯得尤為重要。

黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）是重要的模式生物，具有生長周期短、操作簡便、繁殖力強、基因組與人類同源性高等特點。另外，果蠅的主要代謝途徑與哺乳動物具有高度的保守性，這也使其成為研究人類代謝疾病的良好模式生物。因此，本文整理了近年來相關文獻報道，對果蠅的糖代謝機制以及高糖誘導代謝綜合征的果蠅模型加以綜述。

1 果蠅的糖代謝與調控途徑

早在20世紀初，有研究將果蠅作為研究對象，創立了基因學說[6]。經過了一個世紀的研究，果蠅已成為生命科學領域中經典的模式生物。研究表明，果蠅與哺乳動物的能量代謝器官在生物進化上高度保守。果蠅存在與人體相似的代謝器官[7]，如心臟、脂肪體、血淋巴等，見表1、圖1。

表1 果蠅和人的代謝相關器官/組織比較

圖1 果蠅身體構造圖

1.1 糖代謝過程

果蠅與哺乳動物維持能量平衡的調控方式相近[8]。在哺乳動物中，當體內能量充足時，多余的葡萄糖會以糖原的形式儲存在骨骼肌和肝臟中；當能量缺乏時，儲存的肝糖原就會被動員和釋放，同時進行糖異生作用。糖代謝受胰島素和胰高血糖素的調節，這兩種激素相互拮抗，以維持體內葡萄糖穩態。當循環中葡萄糖水平升高時，胰島β細胞釋放胰島素，刺激細胞對葡萄糖的攝取和儲存；相反，當循環中葡萄糖水平降低時，胰島α細胞釋放胰高血糖素，促進糖原分解和糖異生作用，并抑制胰島素分泌。

在果蠅中，食物中的糖分被腸道內的糖苷酶分解為單糖，單糖經消化道吸收到脂肪體中，并轉化為一種非還原性二糖-海藻糖[9]。血淋巴中葡萄糖含量極低，大約是海藻糖含量的百分之一[10]，海藻糖是果蠅體內主要的循環糖，可以被儲存或釋放到血淋巴中。在果蠅體內有類似人體血糖調節功能的激素，分別為胰島素樣肽（drosophilainsulinlike proteins，Dilps）和脂肪運動激素（adipokinetic hormone，AKH）。胰島素樣肽是由大腦中類似胰島β細胞的胰島素分泌細胞（insulin-like peptide producing cells，IPCs）分 泌[11-12]；脂 肪 運 動 激素是由類似胰島α細胞的環腺心側體（corpora cardiaca，CC）分泌[13-14]。兩種激素來源不同，相互拮抗，以維持血糖穩態。

1.2 胰島素樣肽

果蠅有8種胰島素樣肽（Dilp1-8）[15]。Dilps在幼蟲階段調節生長發育；在成蟲階段主要維持機體代謝穩態，調節繁殖力和壽命等[16]。與哺乳動物胰島素功能相似的是Dilp2、Dilp3、Dilp5，其中以Dilp2最為相似[17]。Teleman等[18]發現當果蠅處于饑餓狀態時，Dilp2、Dilp3、Dilp5表達水平顯著下降，這一現象與哺乳動物胰島素含量變化趨勢一致。Gr?nke等[19]發現 Dilp2、Dilp3、Dilp5三種突變體果蠅在生長發育方面表現出嚴重的遲緩。Dilp2、Dilp3、Dilp5三者功能有所不同，Dilp2主要調節體內海藻糖水平[19]，Dilp3負責調節腸道干細胞的生長增殖[20]，而Dilp5參與調控果蠅生長發育[21]。

1.3 果蠅胰島素信號通路

胰島素信號通路在調節代謝方面起著至關重要的作用。在果蠅中，Dilps可以通過與細胞膜上的胰島素受體（insulin receptor，InR）結合而被激活（圖2）。在細胞內，信號被一種叫做 Chico的胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）轉導，激活磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K），將 磷 脂 酰肌 醇 3，4- 二 磷 酸 [phosphatidylinositol（3，4）-bisphosphate，PIP2]轉化為磷脂酰肌醇（3，4，5）- 三磷 酸 [phosphatidylinositol（3，4，5）-trisphosphate，PIP3]。PIP3刺激丙酮酸脫氫酶激酶（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK）并激活蛋白激酶B（protein kinase B，AKT/PKB），進 而 磷 酸 化 FOXO（forkhead box protein O）抑制其入核。相反，饑餓條件下，FOXO會去磷酸化并進入細胞核，在細胞核中調節靶基因的表達[22]。從分子和遺傳學的角度看，果蠅胰島素信號通路在結構和功能水平上與人類有著高度的相似性。

圖2 果蠅胰島素信號通路圖

2 果蠅代謝綜合征模型

2.1 糖脂代謝紊亂模型

糖脂代謝紊亂性疾病已成為全球性的公共衛生問題，其危害在于長期糖、脂代謝水平異常導致全身器官功能衰退[23]。隨著人們飲食結構的變化，高糖飲食逐漸成為目前糖脂代謝紊亂性疾病大流行的主要原因之一。

當果蠅攝入富含糖類的食物時，其體內多余的葡萄糖被轉化為三酰甘油儲存[24]。Buescher等利用雌性果蠅來評價高糖飲食對其糖脂代謝的影響[25]，在添加1mol/L蔗糖的培養基中培養雌性果蠅7d，發現高糖組果蠅體重低于對照組，但其海藻糖、糖原及三酰甘油含量顯著增加，導致體脂比顯著增加。因此，7d的高糖飲食引起雌性果蠅糖脂代謝紊亂。Rovenko等[26]發現在高蔗糖培養基中，果蠅幼蟲消耗食物量少于對照組，蛹化速率減慢，蛹的死亡率增加，脂質和糖原水平顯著提高。Musselman等[27]發現經高蔗糖培養基喂養后，果蠅脂肪體中脂肪儲存增加，脂滴明顯增大，同時果蠅體內甘油三酯和游離脂肪酸的水平明顯增加。采用高果糖喂養的果蠅幼蟲也出現了三酰甘油水平、尿酸水平增加，蛹化速率減慢，蛹的死亡率增加等糖脂代謝紊亂表型[28]。

2.2 胰島素抵抗和2型糖尿病模型

胰島素抵抗，會擾亂胰島素效應組織的代謝平衡。骨骼肌和脂肪組織的胰島素抵抗會抑制葡萄糖攝取，導致血漿中的葡萄糖滯留；肝臟胰島素抵抗會導致肝臟葡萄糖過度合成，使血糖水平升高。高糖飲食會導致嚙齒類動物出現高血糖和胰島素抵抗的癥狀[29]。高糖誘導果蠅胰島素抵抗的發生機制與哺乳動物相類似。高糖喂養果蠅幼蟲會導致Dilp2、Dilp3、Dilp5表達量的增加，同時循環糖水平升高，與哺乳動物胰島素抵抗的特征相似。另外，高糖飲食喂養的果蠅，給予外源胰島素刺激后，并未顯著增加AKT磷酸化水平，表明長期高糖飲食喂養，會抑制胰島素信號敏感性[27]。

2型糖尿病（T2D）早期階段是以胰島素抵抗為主要病理特征。越來越多的證據表明果蠅非常適合用于胰島素抵抗和T2D的發生發展機制的研究[27]。有研究已經初步建立了果蠅高糖飲食模型，并用于研究飲食對T2D發生發展的影響[30]。Michael等用高蔗糖培養基喂養野生型果蠅幼蟲，其蔗糖含量是正常培養基的7倍。高糖喂養的幼蟲血淋巴中循環葡萄糖和海藻糖水平顯著升高，幼蟲出現發育遲緩、脂肪積累增加等病理表型。當給幼蟲注射哺乳動物胰島素后，僅能部分恢復AKT磷酸化水平，未能完全恢復受損的胰島素應答，這表明果蠅幼蟲出現了胰島素抵抗癥狀，同時幼蟲體內Dilp2的表達量與海藻糖含量的升高相適應，這種表型類似人類高胰島素血癥[31]。此外，通過RNA-Seq分析發現，模型中FOXO轉錄因子的靶基因上調，這與在胰島素抵抗小鼠和T2D患者中所觀察到的肝糖異生現象結果一致[31]。Pasco等[32]利用熱量為1636千卡/L的高蔗糖培養基喂養果蠅幼蟲進行類似研究，也得到了相同的結論。長期高糖飲食會導致幼蟲高血糖、生長遲緩、胰島素樣肽分泌增多和脂肪過度積累。同樣，高糖飲食的成蟲也表現出代謝功能障礙、胰島素樣肽表達量增加和胰島素信號活性下降等表型，這些表型與人類T2D診斷標準相吻合。高糖飲食誘導的果蠅模型展現出比IPCs移除果蠅更嚴重的高血糖表型[13，33]。

胰島素抵抗最終會導致應激JNK（jun-N-terminal kinase）級聯的靶基因的誘導[27]。Pasco 和Leopold同樣發現高糖飲食引起的果蠅胰島素抵抗，可以通過抑制脂質運載蛋白Nlaz（Neural Lazarillo）的表達所逆轉[32]。Nlaz已被證明是JNK的下游，它是一種與視黃醇結合蛋白4同源的分泌蛋白，視黃醇結合蛋白4參與人類和小鼠T2D的發生發展。Nlaz基因在高糖培養的果蠅幼蟲中表達上調[32]。沉默或干擾Nlaz基因表達可以修復高糖誘導果蠅幼蟲出現的代謝紊亂。這些從高糖誘導果蠅糖尿病模型中獲得的研究證據有助于在哺乳動物中進行機制的驗證以及治療方案的制訂。

2.3 高尿酸血癥模型

高尿酸血癥是一種慢性代謝性疾病，主要是由尿酸的生成增多和排泄途徑受阻所導致[34]。近年來，大量研究表明，尿酸的增高不僅僅是痛風發生的主要誘因，而且與其他代謝疾病，如高胰島素血癥、高血壓、糖尿病、心血管疾病等有著密切的聯系[35-36]。Dam等通過調節體內水的代謝平衡[37]，揭示了高糖飲食會造成果蠅出現類似糖尿病表型，并縮短了果蠅壽命。糖是嘌呤降解途徑所必需的，尿酸是嘌呤的最終代謝產物，嘌呤代謝紊亂會導致尿酸含量升高，并以腎結石的形式積累。研究人員在高糖飲食的果蠅體內發現腎小管結石，作者通過測定果蠅血淋巴循環尿酸含量，發現高糖飲食導致血淋巴循環尿酸水平升高，并進一步證實了高糖飲食引起嘌呤分解代謝失調是導致尿酸積聚的主要原因。因此，高糖飲食會影響果蠅腎功能和嘌呤代謝，利用這一模型有助于探究高糖飲食與慢性腎臟疾病之間的聯系。

2.4 心臟病模型

果蠅是唯一一種心臟跳動的無脊椎動物模式生物，可用于研究心臟功能[38-39]。研究發現了果蠅心臟與脊椎動物了共有基因為MEF2（myocyte enhancer factor 2）、TGF-β（transforming growth factor-β）[40]。此外，盡管果蠅管狀心臟和開放的循環系統較為簡單，但它們幾乎與脊椎動物的心臟有著相同的生理機能。研究表明，與人類心律失常相關的HERG通道突變也會影響果蠅的心率和節律[41]。Na等結合飲食、遺傳學和生理學技術手段建立了一個成年果蠅高糖飲食誘導的心臟病模型，發現高糖飲食會造成果蠅心臟功能惡化并伴隨纖維化，如膠原堆積、脂肪堆積和胰島素信號傳導缺陷[42]。Birse等[43]發現高熱量飲食會增加果蠅體內三酰甘油水平并改變心臟收縮模式，導致嚴重的心臟功能障礙。由此可見，果蠅在研究心臟疾病方面發揮了重要作用，為探討心臟功能提供了良好的模型平臺。

3 總結與展望

盡管脊椎動物（主要是嚙齒類動物）代謝綜合征模型具有普遍性和實用性，但其存在造模時間長、技術和成本高等缺點。與之相比，果蠅具有更為明顯的優勢。該模式生物具有與哺乳動物相似的胰島素信號通路和代謝相關基因，易于操作和使用、低成本、高繁殖力、進化高度保守和同源基因背景，并且隨著分析技術的日益進步彌補了果蠅作為小型模式生物的缺點，如全果蠅實時質譜分析[44]，組織和血淋巴特異性質譜分析[45]，基質輔助激光解吸/電離質譜成像對果蠅各器官進行綜合脂質成份分析[46]等，從而使果蠅系統被廣泛用于研究人類疾病。

目前，果蠅已被用于多種人類疾病的建模，這些模型揭示了果蠅和人類在代謝調控機制的諸多方面是相近的。果蠅具有保守的胰島素信號通路和激素調節途徑，可以通過高熱量飲食暴露使果蠅機體產生肥胖、胰島素抵抗、心臟相關疾病等，極大地促進人類對代謝疾病發病機制的研究。同時，果蠅強大的遺傳優勢和基因編輯技術（USA-GAL4二元表達系統）的運用，使分子機制研究成為可能。建立以果蠅為模式生物的代謝綜合征研究體系，極大提高了藥物篩選效率，并使得高效開展藥物作用機制研究成為可能。