谷物蛋白及多肽調(diào)控2型糖尿病靶點(diǎn)研究進(jìn)展

王 晗，侯殿志，付永霞，趙卿宇，沈 群

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，國(guó)家糧食產(chǎn)業(yè)（青稞深加工）技術(shù)創(chuàng)新中心，國(guó)家果蔬加工工程技術(shù)研究中心，北京 100083）

糖尿病是一種常見(jiàn)的慢性代謝疾病，與持續(xù)的高血糖水平密切相關(guān)[1]，近年來(lái)，患者的年齡范圍不斷擴(kuò)大，低年齡段患者數(shù)量的不斷增加使人們對(duì)糖尿病的關(guān)注程度越來(lái)越高。根據(jù)美國(guó)糖尿病協(xié)會(huì)公布標(biāo)準(zhǔn)，糖尿病分為4 類(lèi)，分別是自身免疫1型糖尿病、2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）、妊娠期糖尿病、其他特殊原因引起的糖尿病，其中T2DM患者占總患病人數(shù)的90%以上[2]，糖尿病發(fā)病機(jī)制如圖1所示。

目前市面上的抗糖尿病藥物針對(duì)不同的治療靶點(diǎn)對(duì)病情管理有一定幫助作用，但部分藥物起作用的同時(shí)也會(huì)給人體帶來(lái)?yè)p傷[3-4]。如二甲雙胍會(huì)加重腎衰竭患者的病情，磺脲類(lèi)藥物刺激胰島素分泌的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致體質(zhì)量增加和低血糖等[5]，因此研究人員致力于尋找可行的天然活性物質(zhì)結(jié)合飲食的調(diào)節(jié)模式來(lái)替代藥物治療。目前功能性活性物質(zhì)主要為動(dòng)、植物性食品中的蛋白質(zhì)、多酚化合物、膳食纖維和脂質(zhì)等，而動(dòng)物蛋白的大量攝入與慢性疾病發(fā)病率的升高密切相關(guān)，因此研究人員將研究重心逐步轉(zhuǎn)移到植物性蛋白和多肽[6-8]。

谷物廣泛分布于世界各地，近年來(lái)不斷有研究表明谷物的攝入能降低慢性疾病的發(fā)病率[9]。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)谷物中的蛋白質(zhì)和多肽對(duì)糖尿病具有治療作用，如小米蛋白的攝入可能改善了糖尿病的癥狀[10-11]，大麥蛋白的攝入則與血壓的降低可能存在聯(lián)系等[12]。因此，本文重點(diǎn)對(duì)近年來(lái)谷類(lèi)作物中蛋白和多肽對(duì)T2DM治療靶點(diǎn)的調(diào)節(jié)進(jìn)行了總結(jié)。

1 糖尿病治療靶點(diǎn)及相關(guān)藥物研究現(xiàn)狀

1.1 糖尿病治療靶點(diǎn)及相關(guān)機(jī)制

目前常見(jiàn)的糖尿病治療靶點(diǎn)主要包括α-淀粉酶、α-葡萄糖淀粉酶、二肽基肽酶-4（dipeptidyl peptidase-4，DPP-IV）、胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）、抑胃肽（gastric inhibitory polypeptide，GIP）、胃腸激素肽（peptide tyrosine tyrosine，PYY）、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（glucose transporters，GLUTs）和鈉依賴(lài)性葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（sodium-glucose cotransporters，SGLTs），與T2DM相關(guān)的治療靶點(diǎn)標(biāo)志物及其作用如圖2所示。

圖2 與T2DM相關(guān)的治療標(biāo)志物Fig. 2 Therapeutic markers for T2DM

1.2 α-淀粉酶、α-葡萄糖淀粉酶

在人體中，碳水化合物被分解為單糖（葡萄糖）后才可進(jìn)入血液循環(huán)，α-淀粉酶、α-葡萄糖淀粉酶在此過(guò)程中起重要作用。α-淀粉酶（EC3.2.1.1）由胰腺分泌，主要分布于小腸，在淀粉和糖原的消化中起重要作用，它可以通過(guò)“多重進(jìn)攻”機(jī)制將直鏈、支鏈淀粉、糖原等大分子的α-1,4-糖苷鍵水解，使這些大分子聚合物分解為分子質(zhì)量較小的麥芽糊精和寡糖，如麥芽糖、麥芽三糖、鼠李糖、α-(1,4)-極限糊精等[13-15]，這個(gè)過(guò)程是淀粉分解隨后進(jìn)入血液循環(huán)全過(guò)程的第一步。α-葡萄糖苷酶（EC3.2.1）是人體糖代謝中最重要的酶之一，位于小腸刷狀邊緣[16]，直接參與淀粉和糖原的水解途徑，主要功能是水解葡萄糖苷鍵，使多糖變?yōu)槠咸烟沁M(jìn)入血液循環(huán)。因此，抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖淀粉酶的活性可以有效降低患者餐后血糖水平，對(duì)糖尿病患者具有重要的治療意義，這兩種酶對(duì)碳水化合物攝入后血糖水平變化過(guò)程的影響如圖3所示。

圖3 涉及α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶的碳水化合物消化過(guò)程Fig. 3 Carbohydrate digestion process involving α-amylase and α-glucoamylase

阿卡波糖、伏格列波糖、米格列醇等是目前市場(chǎng)上較常見(jiàn)的相關(guān)抑制藥物，它們能夠通過(guò)抑制這兩種酶的活性來(lái)降低碳水化合物轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟堑乃俾省?/p>

膳食營(yíng)養(yǎng)方面的降糖研究往往會(huì)考慮對(duì)α-淀粉酶、α-葡萄糖淀粉酶的抑制作用，對(duì)谷物組分如蛋白及蛋白水解物的研究也不例外，目前也已發(fā)現(xiàn)大米、藜麥等谷物的蛋白和多肽對(duì)這兩種酶具有一定的抑制作用。

1.3 二肽基肽酶-4

DPP-IV是絲氨酸蛋白酶的一種，主要存在于肝、腎、小腸的上皮組織中，具有循環(huán)性以及可溶性[17]，它裂解后產(chǎn)生丙氨酸或脯氨酸殘基，隨后通過(guò)底物多肽的N端將二肽除去[18]。DPP-IV可導(dǎo)致趨化因子GLP-1和GIP的降解，使兩者的促胰島素活性喪失[19-21]。GLP-1和GIP都是肽類(lèi)激素，能刺激胰島β細(xì)胞分泌胰島素[22-23]。有報(bào)道稱(chēng)，口服葡萄糖引起的胰島素反應(yīng)有約60%都是由GLP-1和GIP介導(dǎo)的。此外，GLP-1具有減少胃排空和進(jìn)食，增加飽腹感和抑制胰高血糖素分泌等作用[24-26]；GIP則具有抑制胃蛋白酶分泌、抑制胃蠕動(dòng)和排空、刺激小腸液分泌等作用。抑制DPP-IV的活性不僅能延長(zhǎng)GLP-1和GIP的半衰期、還能促進(jìn)兩者的分泌和活性水平，最終達(dá)到控制血糖水平的效果。

西格列汀、薩格列汀、維拉格列汀、阿羅格列汀等藥物可作為DPP-IV抑制劑，具有抑制DPP-IV活性和胰高血糖素分泌、促進(jìn)GLP-1、GIP分泌和減少胃排空等作用，能夠降低血糖水平；而艾塞那肽、利西那肽、杜拉魯肽等藥物則起到胰島素類(lèi)似物的作用，可以作為GLP-1的受體激動(dòng)劑促進(jìn)GLP-1的分泌。

目前的研究發(fā)現(xiàn)多種谷物（大米、小米等）、假谷物（藜麥等）的蛋白及多肽（多數(shù)為短鏈肽）都能對(duì)DPP-IV產(chǎn)生抑制作用，抑制強(qiáng)度隨谷物蛋白種類(lèi)、肽序列組成而變化。

1.4 胃腸激素肽

PYY是除GLP-1外的另一種腸道激素，近年來(lái)不斷被證明是治療糖尿病和肥胖的有效靶點(diǎn)。PYY由36 個(gè)氨基酸殘基組成[27]，位于回腸和結(jié)腸黏膜的L細(xì)胞（內(nèi)分泌細(xì)胞）是其主要來(lái)源。與GLP-1相同，PYY同樣受DPP-IV的影響，在DPP-IV的作用下，PYY1-36轉(zhuǎn)變?yōu)樽钬S富的循環(huán)形式——PYY3-36，肽的生物學(xué)特性和受體特異性隨之改變[28]。PYY可與3種受體亞型（Y1、Y2、Y5）結(jié)合，PYY3-36與位于下丘腦的Y2受體結(jié)合后[29-31]，主要產(chǎn)生刺鼠相關(guān)肽和神經(jīng)肽Y，兩者能夠抑制下丘腦神經(jīng)元的活動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生飽腹感和能量支出，同時(shí)抑制消化液分泌，減少食物攝入量[32-33]。PYY雖然被認(rèn)定是一種胃腸激素肽，但胰腺中也發(fā)現(xiàn)了其存在[34]。此外，研究發(fā)現(xiàn)子宮中最初的胰島里也存在PYY的表達(dá)，因此PYY與胰腺的相關(guān)功能很可能具有潛在的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)將小鼠胰島分離后，其被葡萄糖刺激的胰島素分泌行為可被PYY抑制[35-37]，推測(cè)PYY能通過(guò)某種途徑抑制胰島β細(xì)胞發(fā)揮作用；當(dāng)有選擇地消除PYY后，機(jī)體會(huì)出現(xiàn)高血糖現(xiàn)象，胰島素分泌也受到影響[38]。在病情治療方面，目前緩解T2DM最有效的方法是減肥手術(shù)[39]，胰島分泌功能的改善是手術(shù)后期恢復(fù)階段控制血糖和T2DM病理機(jī)制的關(guān)鍵。PYY被證明在T2DM患者胰島的后期恢復(fù)中起作用，有利于患者病情的控制[40-43]。刺激PYY和GLP-1的釋放對(duì)T2DM和肥胖相關(guān)疾病的治療已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[44]。

研究結(jié)果顯示，以油棕基因組DNA為模板，PCR擴(kuò)增獲得的條帶長(zhǎng)度為1035 bp，與預(yù)期目的條帶長(zhǎng)度相符且沒(méi)有非特異性擴(kuò)增(圖1)。分析克隆得到的DGAT2基因啟動(dòng)子序列，并對(duì)其所含的功能元件進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明該序列中含有基礎(chǔ)啟動(dòng)子元件，包括52個(gè)TATA-Box和19個(gè)CAAT-Box，符合啟動(dòng)子的基礎(chǔ)特征；包含大量的光反應(yīng)元件ACE、G-Box和Sp1及部分光反應(yīng)元件I-Box、GA-motif等；含有4種激素反應(yīng)元件，主要包括水楊酸、茉莉酸、赤霉素和脫落酸反應(yīng)元件，還包括轉(zhuǎn)錄因子MYB 結(jié)合位點(diǎn)和熱應(yīng)激反應(yīng)元件等(表2、圖2)。

研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍能夠促進(jìn)PYY分泌及表達(dá)[45]，二甲雙胍起到與GLP-1受體激動(dòng)劑相似的作用，改善了胰島素抵抗，降低了肝臟葡萄糖輸出和血漿葡萄糖濃度。

現(xiàn)階段有關(guān)谷物蛋白、多肽促進(jìn)PYY活性和分泌的研究還較少，但有上升趨勢(shì)，這可能與近年來(lái)對(duì)PYY影響血糖變化研究受關(guān)注程度逐漸升高有關(guān)。

1.5 葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體

葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體主要分為2 類(lèi)，分別是SGLTs和GLUTs，前者為依賴(lài)鈉的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體，逆濃度梯度主動(dòng)運(yùn)輸葡萄糖；后者則以易化擴(kuò)散的方式順濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖。

1.5.1 鈉依賴(lài)性葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

SGLTs是一種膜蛋白家族，負(fù)責(zé)運(yùn)輸葡萄糖、離子、維生素和一些氨基酸，途經(jīng)腎臟近曲小管以及腸道上皮細(xì)胞的刷狀邊界膜[46]。葡萄糖屬于極性化合物，不能直接通過(guò)細(xì)胞膜，其跨膜運(yùn)輸需借助位于膜內(nèi)的載體蛋白。血液中的葡萄糖被腎小球過(guò)濾后，SGLTs通過(guò)近曲小管上皮細(xì)胞的頂膜或管腔膜將過(guò)濾后的葡萄糖重新吸收，隨后SGLTs將鈉和葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)合起來(lái)。

SGLT1和SGLT2屬于SGLTs家族，SGLT2是一種低親和力的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，作用于葡萄糖在腎臟的重吸收環(huán)節(jié)，并起關(guān)鍵作用，SGLT2在葡萄糖重吸收過(guò)程中的作用占比約為90%，SGLT1則對(duì)重吸收后葡萄糖剩余10%左右的部分起作用[47]。在腸細(xì)胞中，SGLT1是主要的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白且具有高親和力的特點(diǎn)，它以2∶1的化學(xué)計(jì)量比轉(zhuǎn)運(yùn)鈉和葡萄糖。已有研究表明，糖尿病患者的葡萄糖最大轉(zhuǎn)運(yùn)值（the glucose transport maximum，TmG）高于非糖尿病患者，而胰島素療法可以降低患者的TmG[48]。此外，SGLT2有助于腎臟葡萄糖重吸收，抑制SGLT2可以降低腎臟葡萄糖排泄閾值，使血糖水平降低。

恩格列凈、達(dá)格列凈、卡那格列凈、伊帕格列凈等藥物對(duì)SGLT2具有抑制作用，它們主要通過(guò)抑制葡萄糖的重吸收來(lái)降低血糖水平。

GLUTs屬于膜轉(zhuǎn)運(yùn)體的輔助性超家族的主要成員，均由500 個(gè)以內(nèi)的氨基酸組成，由SLC2A基因編碼，其參與作用的跨膜結(jié)構(gòu)域共有12 個(gè)[49-50]，包括GLUT1～GLUT14共14種亞型，它們的主要作用是負(fù)責(zé)人體不同組織器官中葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)和重吸收。目前對(duì)GLUT1～GLUT5的機(jī)制研究較為清晰[51]，而GLUT1、GLUT4、GLUT9被證明與胎盤(pán)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)有重要作用，因此與妊娠糖尿病關(guān)系密切，其中GLUT4功能異常和胰島素分泌異常是導(dǎo)致T2DM的主要原因之一[52]。

GLUT4是最重要的胰島素調(diào)節(jié)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白之一，在脂肪細(xì)胞、骨骼肌和心肌細(xì)胞中表達(dá)最明顯[53]，其因在這些細(xì)胞中起到特定作用而被稱(chēng)為胰島素應(yīng)答性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[54]。人體攝入碳水化合物后，體內(nèi)胰島素水平上升，位于細(xì)胞內(nèi)的GLUT4被重新分配到質(zhì)膜，相應(yīng)組織對(duì)葡萄糖的攝取和代謝隨之增加，血糖水平隨之得到控制。這種由胰島素引起的GLUT4轉(zhuǎn)移到質(zhì)膜的缺陷稱(chēng)為外周胰島素抵抗，T2DM由胰島β細(xì)胞分泌胰島素異常、肝臟胰島素抵抗和外周胰島素抵抗共同引發(fā)[55]，且胰島素水平升高的情況下，血液中大部分葡萄糖是被骨骼肌吸收的，因此GLUT4對(duì)人體葡萄糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)起到關(guān)鍵作用。GLUT4表達(dá)水平的提高能解除外周胰島素抵抗，使血糖轉(zhuǎn)移、吸收和利用過(guò)程加快，有利于調(diào)節(jié)患者的血糖水平。

研究發(fā)現(xiàn)豆類(lèi)如綠豆和大豆的蛋白、多肽對(duì)SGLT1、GLUT-4具有調(diào)節(jié)作用[56-58]，而有關(guān)谷物蛋白和多肽對(duì)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體的研究還較少。

2 谷物蛋白及多肽調(diào)節(jié)T2DM相關(guān)靶點(diǎn)

眾多研究表明，植物中提取的蛋白質(zhì)及生物活性肽（bioactive peptides，BAPS）具有抗癌、抗氧化、抗炎、抗糖尿病和調(diào)節(jié)脂代謝等生物學(xué)特性[59-60]，故植物性蛋白質(zhì)和多肽的具體功能逐漸成為人們研究的焦點(diǎn)。谷類(lèi)、假谷類(lèi)是植物性食品中蛋白和BAPS的重要來(lái)源[9]，常見(jiàn)的谷物主要包括大米、小麥、玉米、小米、燕麥等，假谷物則包括莧菜籽、藜麥等。假谷物與谷物功能相似，都含有對(duì)人體有益的蛋白質(zhì)和多肽，其蛋白質(zhì)主要儲(chǔ)存于球蛋白和白蛋白部分，且具有一定的抗糖尿病活性[2,59]。此外，藜麥、莧菜籽、奇亞籽的蛋白質(zhì)含量（10%～25%）優(yōu)于常見(jiàn)谷物（10%～15%），氨基酸種類(lèi)齊全且必需氨基酸含量均衡，可以成為谷物蛋白和BAPS的理想來(lái)源[61-62]。

2.1 谷物蛋白調(diào)節(jié)T2DM治療靶點(diǎn)

近年來(lái)的研究顯示谷物蛋白及其提取物具有降低血糖、緩解T2DM的作用，具體作用主要是通過(guò)抑制或促進(jìn)DPP-IV、GLP-1、GIP、相關(guān)酶等糖尿病治療靶點(diǎn)的表達(dá)水平實(shí)現(xiàn)的，谷物蛋白干預(yù)T2DM治療靶點(diǎn)部分實(shí)驗(yàn)如表1所示。

表1 谷物蛋白干預(yù)T2DM治療靶點(diǎn)Table 1 Cereal protein intervention in therapeutic targets for T2DM

2.2 谷物多肽調(diào)節(jié)T2DM治療靶點(diǎn)

谷物多肽是通過(guò)水解谷物蛋白得到的，研究人員在進(jìn)行谷物蛋白相關(guān)體外、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)蛋白水解產(chǎn)生的多肽也進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)序和功能研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)谷物多肽對(duì)T2DM治療靶點(diǎn)同樣具有抑制作用，干預(yù)強(qiáng)度與肽段長(zhǎng)度和序列組成密切相關(guān)，谷物多肽干預(yù)T2DM治療靶點(diǎn)部分實(shí)驗(yàn)如表2所示。

表2 谷物多肽干預(yù)T2DM治療靶點(diǎn)Table 2 Cereal peptides intervention in therapeutic targets for T2DM

續(xù)表2

BAPS一般由2～20 個(gè)氨基酸組成，其中二、三肽即小分子肽具備更顯著的DPP-IV抑制活性，且相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明谷物的大分子肽對(duì)糖尿病治療靶點(diǎn)的調(diào)節(jié)作用并不明顯。此外，多肽組成中，P（脯氨酸）、V（纈氨酸）、A（丙氨酸）、F（苯丙氨酸）等氨基酸出現(xiàn)的次數(shù)較多，推測(cè)這些特定氨基酸可能在多肽的抑制活性中起重要作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)總結(jié)眾多研究成果，發(fā)現(xiàn)谷物中的蛋白質(zhì)和多肽不僅可以作為生產(chǎn)T2DM藥物的天然來(lái)源，而且與市場(chǎng)上流行的化學(xué)藥物相比更加溫和、更具有安全性。現(xiàn)階段還有一些方面的問(wèn)題需要深入研究：1）目前對(duì)谷物蛋白和多肽的臨床研究主要集中在降壓和降脂方面，降糖方面的研究還未得出有效成果；2）近年來(lái)，抗糖尿病、抗氧化、抗炎等研究與腸道菌群豐度聯(lián)系緊密，谷物蛋白、多肽對(duì)腸道微生物的影響研究較少；3）谷物BAPS的利用價(jià)值和治療潛力高，口服后起作用的是多肽本身還是代謝后產(chǎn)物等問(wèn)題需進(jìn)一步明確；4）高純度BAPS的獲取方法不夠成熟、成本高、獲取率低等問(wèn)題使其難以進(jìn)行大規(guī)模提取，進(jìn)而導(dǎo)致其相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)受到影響，這類(lèi)工程化問(wèn)題應(yīng)引起研究人員的重視。