中長鏈游離脂肪酸及其受體FFAR1和FFAR4對健康作用的研究進展

鄭子晴，牛 博，魯丁強,2,*，龐廣昌,2,*

（1.天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津 300134；2.天津市食品生物技術重點實驗室，天津 300134）

游離脂肪酸是血漿中脂肪酸的非酯化形式。中長鏈游離脂肪酸不僅是人體的重要能量來源，也作為信號分子在機體中發揮作用。近年來的研究發現中長鏈游離脂肪酸可通過激活腸道、味蕾等部位的相應膜受體調節食欲和新陳代謝，與肥胖、脂代謝紊亂、2型糖尿病等多種代謝疾病的發生發展密切相關。

目前已確認存在多種游離脂肪酸受體（free fatty acid receptors，FFARs），包括FFAR1、FFAR2、FFAR3、FFAR4、GPR84和GPR119等，均屬于G蛋白偶聯受體家族（G-protein-coupled receptors，GPCRs）成員，可激活多種生理功能，包括促進胰島素和腸降血糖素分泌、脂肪細胞分化、抗炎、促進神經元反應、調節食欲等。本綜述重點討論了飲食中的中長鏈游離脂肪酸作為膳食營養發揮的作用，以及通過調節其受體（包括FFAR1和FFAR4）對健康的影響，同時討論這兩種受體重疊或互補的生理功能。

1 中長鏈游離脂肪酸作為膳食營養發揮作用

日常飲食中，中長鏈游離脂肪酸的攝入量和種類影響肥胖、糖尿病等代謝疾病的發展，但其潛在的有益功能卻沒有得到足夠重視，例如構成磷脂膜、介導受體信號傳導、調節機體能量穩態。血漿中的游離脂肪酸來自于脂肪酶分解儲存的甘油三酯（triacylglycerol，TAG），這些脂肪酸的酰基鏈長度、不飽和度以及在TAG分子內位置的不同，進一步導致其營養特性和生理功能的不同（表1）。研究表明，植物或海洋藻類中的油酸、亞油酸（linoleic acid，LA）和亞麻酸可降低患心血管疾病的風險，而動物來源的脂質含有高水平的飽和長鏈脂肪酸（long chain fatty acids，LCFA），例如棕櫚酸和硬脂酸，是導致心腦血管疾病的危險因素；另外，與疾病相關的飽和脂肪酸主要是LCFA，而不是中鏈脂肪酸（medium chain fatty acids，MCFA）。

表1 中長鏈脂肪酸結構、功能及分類Table 1 Structures, functions and classification of medium- and longchain fatty acids

續表1

1.1 中長鏈脂肪酸飲食對健康的影響

歐洲營養與營養學學會建議健康成年人從膳食脂肪得到的能量占能量總攝入的20%～35%。MCFA主要存在于動物乳汁、椰子油、棕櫚仁油中；其作為食品添加劑廣泛應用于人造黃油、烹飪油、巧克力涂層、干酪加工、植物油、蛋黃醬和調味品。MCFA也可在食品加工中作為疏水性風味物質的介質，賦予食品良好的光澤。研究發現大腦可以利用MCFA作為葡萄糖的替代供能物質，攝入MCFA可以提高腦酮水平，從而改善老年人和阿爾茲海默癥患者的認知功能。

LA和ALA是機體的必需脂肪酸，由于人類缺乏在碳原子數超過9或10的脂肪酸中引入雙鍵的能力，因此必須從飲食中獲得LA和ALA。LA和ALA可以通過一系列延伸、去飽和轉化為其他LCFA，如-3脂肪酸EPA和DHA以及-6脂肪酸花生四烯酸。但在人體內ALA向EPA和DHA的轉化效率較低，需要額外通過攝入魚類、貝類和海鮮獲得EPA和DHA。-3和-6脂肪酸是合成類花生酸（如白三烯（leukotrienes，LTs）、前列腺素（prostaglandins，PGs）、血栓素和消退素）的前體物質。相比于利用-3脂肪酸EPA合成PGE和LTB，利用-6脂肪酸花生四烯酸合成的PGE和LTB是形成血栓的有效介質。此外，-6/-3比率失衡以及-6多不飽和脂肪酸的過多攝入會增加炎癥信號水平，從而導致肥胖和糖尿病發病率增高。事實上，在冰島和阿拉斯加土著人中觀察到經常食用富含-3多不飽和脂肪酸的食物可降低這些代謝性疾病的發病率。

1.2 中長鏈脂肪酸在體內的代謝途徑

MCFA、LCFA的吸收代謝方式有很大不同。MCFA包括己酸、辛酸、癸酸和月桂酸，碳鏈長度比LCFA短且具水溶性，通過被動擴散在腸腔被快速吸收，吸收后的MCFA以游離形式通過門靜脈運輸到肝臟，立即被利用轉化成能量，不在肝臟、肌肉和脂肪內累積。MCFA不需要肉堿作為載體，可跨線粒體膜運輸，迅速在肝線粒體中發生β氧化降解，產生過量的乙酰輔酶A，從而生成酮體。因此，對于有高能量需求的個體來說，攝入MCFA是一個很好的選擇，例如術后以及發育遲緩的群體建議補充MCFA。辛酸、癸酸甘油酯分子質量小、溶解性好、易消化吸收、可快速氧化供能，在血液中可被快速清除，在臨床上常作為營養輔助劑加快身體痊愈。

相比較之下，LCFA不直接擴散到腸道毛細血管，它們通過脂肪酸轉位酶（fatty acid translocase，FAT或CD36）和脂肪酸轉運蛋白4（fatty acid transport protein 4，FATP-4）被腸道吸收，然后重新組裝成TAG，被膽固醇和蛋白質包裹，形成乳糜微粒，乳糜微粒通過淋巴系統將TAG輸送到組織中。

血漿中的游離脂肪酸來自于脂肪酶分解儲存的TAG，其可作為肌肉收縮和全身代謝的供能物質。小腸不僅是中長鏈脂肪酸消化的主要場所，還是中長鏈游離脂肪酸吸收的場所，吸收率高達95%，其中大部分被十二指腸和空腸腸上皮細胞吸收。吸收的游離脂肪酸發生β氧化，經檸檬酸循環分解為CO和水，以ATP的形式釋放大量能量。因此，中長鏈游離脂肪酸可為各種組織提供能量。

2 FFAR1和FFAR4所介導的生物學效應

游離脂肪酸不僅是重要的能源物質，還能在機體中作為信號分子通過激活相應受體發揮一系列生物學效應。已有研究表明，機體內游離脂肪酸及其代謝物通過激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPARγ）促進脂肪細胞分化和轉化來促進脂肪儲存，進一步研究發現游離脂肪酸也能直接作用于細胞膜受體發揮功能。GPR40和GPR120分別在2003年和2005年被鑒定為LCFA/MCFA受體和LCFA受體，隨后被重命名為FFAR1和FFAR4。其中FFAR1主要在胰島β細胞、腸道L和K細胞、免疫細胞、味蕾和中樞神經系統細胞中表達；而FFAR4在腸內分泌細胞、味覺細胞、脂肪細胞和免疫細胞，特別是在哺乳動物促炎巨噬細胞和成熟的脂肪細胞中高度表達。FFAR1和FFAR4負責監測細胞外中長鏈游離脂肪酸濃度，激活細胞內信號轉導途徑，最終通過一系列細胞反應發揮能量調節、免疫穩態和神經元功能（表2）。

表2 FFAR1和FFAR4的G蛋白信號、表達組織/細胞和生物學功能Table 2 G protein signals, expression tissues/cells and biological functions of FFAR1 and FFAR4

中長鏈游離脂肪酸作用于FFAR1和FFAR4發揮生物學功能的信號途徑如圖1所示。FFAR1和FFAR4都能與G蛋白家族偶聯，激活磷脂酶C（phospholipase C，PLC）和磷脂酰肌醇信號通路，促進質膜磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate，PIP2）生成肌醇三磷酸（inositol-trisphosphate，IP3）和二?；视停╠iacylglycerol，DAG），然后IP3轉移到內質網，導致內質網釋放Ca，而DAG通過刺激蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）促進胰島素分泌；FFAR4與G蛋白偶聯也能激活細胞外信號調節激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK） 1/2信號。-arrestin2也是FFAR1和FFAR4信號的負調節因子，陰礙G蛋白與FFAR1和FFAR4的結合，降低FFAR1和FFAR4對游離脂肪酸信號的敏感性。另外，-arrestin2作為支架蛋白將FFAR1和FFAR4信號通路與絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）級聯，從而影響細胞增殖和免疫功能。不同的是，FFAR1與G和G蛋白偶聯，通過G/G偶聯途徑降低/增加環腺苷酸磷酸（3’-5’-cyclic adenosine monophosphate，cAMP）水平；而FFAR4與G或G蛋白家族不偶聯，胰島β細胞和原代胰島細胞中并未檢測到cAMP的產生。雖然FFAR4與其配體的親和力與FFAR1與其配體的親和力相近，但這兩種受體僅有10%的氨基酸同源性，相似的配體特異性可能是趨同進化的結果。

圖1 中長鏈游離脂肪酸受體的配體特異性和信號通路[4]Fig. 1 Ligand specificity and signal pathways of medium- and longchain free fatty acid receptors[4]

2.1 介導味覺信號傳感

脂肪酸味被認為是第六種味道，嚙齒動物和人類的舌頭上都存在傳感脂肪酸的受體。FFAs的口腔感覺被描述為“scratchy（瘙癢）”，但只有中長鏈游離脂肪酸會引起這種“fatty（脂肪味）”或“油膩感”。識別攝入的游離脂肪酸是形成飽腹感和最合理能量攝入的關鍵，因此游離脂肪酸的味覺信號傳感不可或缺。FFAR1和FFAR4在舌頭味蕾細胞（分布于葉狀乳頭和輪廓乳頭）中表達?？谇恢械闹久杆釺AG釋放游離脂肪酸，從而激活FFAR1和FFAR4傳導這種“脂肪”味道。Cartoni等比較了野生型和、基因敲除（/）小鼠對脂肪酸的偏好和味覺神經反應，發現在短期或長期脂肪酸偏好測試中，和小鼠對油酸和LA的味覺神經反應減弱，對脂肪酸的偏好受到抑制，表明這兩種受體能傳感脂肪酸味覺信號；另外，作者指出FFAR1主要在舌后部表達，而FFAR4主要在舌前部和后部表達。

然而，在人類的味蕾中還沒有發現FFAR1，因此，FFAR1對于人類味蕾中的脂肪酸味覺信號傳感可能并不重要。然而FFAR1在人類小腸中的表達量比FFAR4和GPR119高；而FFAR4是人類大腸中表達最高的營養受體之一，其表達量與體脂率呈正相關。FFAR1和FFAR4是否通過在腸道和胰腺中表達從而調節肥胖群體對脂肪酸的偏好，還需要進一步的研究。

與FFAR1相比，FFAR4可能對人類味覺反應系統更重要。Xu Qiuda等研究FFAR4對不同脂肪酸的傳感動力學，發現FFAR4對14 種常見的短、中、長鏈天然脂肪酸均有響應，說明FFAR4上有脂肪酸羧基的特異性識別位點，但發揮下游信號激活的識別位點仍有待進一步探索。該作者還發現人和大鼠對同種脂肪酸的傳感靈敏度并不相同，這可能是因為人與大鼠FFAR4氨基酸序列相似性僅為82%，且不同物種之間FFAR4對配體的親和力存在差異。盡管Cartoni等的研究結果表明，在48 h脂肪酸偏好測試或短暫測試中，基因敲除（）小鼠對脂肪酸的偏好減弱，說明FFAR4在味蕾中介導脂肪酸味覺傳感；然而，Ancel等的研究表明，口腔舌側FFAR4對于小鼠口服脂肪酸后口腔對其的味覺傳感并不是必需的，CD36和FFAR4在調節脂肪酸偏好中發揮了不同但互補的功能。Stone等也報道在攝食行為測試中基因缺陷型小鼠無法傳感脂肪酸或偏好非脂肪酸類的FFAR4激動劑。Ozdener等則認為在脂肪酸的味覺感知過程中，CD36和FFAR4對游離脂肪酸信號傳感的作用并不重疊，游離脂肪濃度較低時僅通過CD36誘導Ca信號。而Shanmugamprema等進一步研究發現CD36在脂肪味覺信號傳導中發揮的作用可能是將脂肪酸分子從唾液和血漿轉移實際的受體如FFAR4。

顯然，FFAR4介導的脂肪酸味覺傳感作用在大鼠、小鼠和人類中還存在爭議，因此，進一步的詳細研究對于確認FFAR4在不同物種中介導脂肪酸味覺信號傳感和攝食偏好中發揮的作用是至關重要的。

2.2 調節神經系統功能

FFAR1在大腦皮層、海馬區、杏仁核、下丘腦、小腦和脊髓神經元中廣泛表達。研究表明FFAR1信號可誘導神經元分化并促進神經突觸生長和分支。Zamarbide等發現在人神經母細胞瘤細胞中，FFAR1信號通過誘導cAMP響應元件結合蛋白（cAMP responsive element binding protein，CREB）和ERK1/2的磷酸化來促進突觸和神經可塑性基因（如腦源性神經營養因子（the brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的表達。

除了與中樞神經系統發育相關，FFAR1信號還與焦慮癥、抑郁癥和阿爾茨海默癥等精神障礙疾病相關，發揮的功能取決于配體類型。Chatterjee等發現輔助口服辛酸和正癸酸能顯著改善阿爾茨海默癥患者語言記憶和認知水平。Harauma等的研究表明低-3多不飽和脂肪酸飲食的嚙齒動物表現出攻擊性和抑郁行為，且高水平飽和脂肪酸飲食的嚙齒動物也表現出焦慮和攻擊行為。海馬單胺系統調節焦慮樣行為，Aizawa等通過分析野生型小鼠與基因缺陷小鼠的情緒行為，發現基因缺陷型小鼠海馬、下丘腦的去甲腎上腺素水平升高，也更容易表現出焦慮及抑郁行為；說明基因缺陷可導致海馬區單胺水平增加，去甲腎上腺素神經元發育異常，產生焦慮和抑郁行為；該作者還發現在蔗糖偏好測試中，基因缺陷型小鼠蔗糖偏好降低且攝入量減少。蔗糖偏好測試一般用于評估抑郁行為，其特征是無快感。這些都表明FFAR1信號有助于抑制抑郁行為。

FFAR4信號調節神經系統功能可能是通過減輕神經炎癥來改善攝食行為和能量穩態。研究證實攝入-3脂肪酸如DHA和EPA有助于控制情緒，這表明FFAR4信號在調節情緒中的潛在作用。盡管能在人和齲齒動物中樞神經系統中檢測到FFAR4的表達，但人們對其在中樞神經系統中發揮的作用仍知之甚少，需要進一步的研究來闡明FFAR4信號在神經系統中的重要性。

2.3 介導抗炎作用

激活FFAR1和FFAR4可在體內產生抗炎活性。Shen Lulu等研究發現，FFAR1、FFAR4及其下游蛋白-arrestin2在感知-3脂肪酸后會抑制富含亮氨酸的核苷酸結合寡聚結構域的重復序列受體蛋白（nucleotidebinding oligomerization domain leucine-rich repeatcontaining receptor protein，NLRP）3炎癥體的組裝和活化，NLRP3炎癥體是一種細胞內多聚體蛋白復合物，在人類糖尿病等炎癥性疾病發病機制中起重要作用。Nagatake等研究發現在小鼠和食蟹猴接觸性超敏反應模型中，花生四烯酸的代謝產物17,18-環氧花生四烯酸通過激活FFAR1來抑制中性粒細胞移動從而發揮抗過敏和抗炎作用。

FFAR4能介導巨噬細胞抗炎作用。FFAR4被GPCR激酶磷酸化，然后與-arrestin2偶聯，隨后內化為FFAR4-arrestin2信號復合物。該復合物與TAB1結合，抑制TAB1介導的TAK1激活，TAK1通過MKK4/JNK和IKKβ/NF-κB信號途徑抑制下游促炎信號傳導；同時，該抗炎機制還依賴于-arrestin2介導的ERK1/2的激活，進一步抑制NF-κB的信號轉導。Oh等發現采用FFAR4的合成激動劑化合物A（compound A，cpdA）治療后，抑制了高脂飲食喂養的肥胖小鼠原發性巨噬細胞炎癥過程中的磷酸化調節激酶如IKKβ、JNK、TAK1的磷酸化從而發揮抗炎作用。

Anbazhagan等利用人腸上皮細胞Caco-2和小鼠腸上皮內分泌細胞系STC-1的體外模型研究腸上皮細胞中FFAR4激活依賴性抗炎通路時發現，Caco-2細胞中觀察到上述抗炎信號通路，而在STC-1細胞中沒有觀察到因FFAR4-arrestin2偶聯產生的抗炎反應。Mobraten等研究也發現Caco-2細胞表達FFAR4但不表達FFAR1。但用FFAR4激動劑GW9508和TUG-891處理后，STC-1分泌GLP-1水平所增加。這些現象表明FFAR4在同一組織的不同細胞類型中誘導不同的信號通路。因此這種細胞類型特異性效應可能為開發靶向不同信號通路的藥物來治療炎癥性疾病提供新的思路。

此外，Shewale等研究發現小鼠肝臟Kupffer細胞、循環單核細胞和中性粒細胞均表現出多不飽和脂肪酸激活的FFAR4抗炎作用，飼喂富含-3脂肪酸的藍薊油和富含-6脂肪酸的琉璃苣油顯著降低了野生型小鼠脾中性粒細胞增多癥和單核細胞增多癥；抑制了肝巨噬細胞促炎基因的表達；盡管通常認為-6脂肪酸是促炎介質的前體，但作者發現在激活白細胞FFAR4的抗炎作用以及配體特異性方面，-3和-6這兩類多不飽和脂肪酸作用相似，可能的原因是多不飽和脂肪酸氧化增加從而引發了抗炎作用，值得注意的是，只有小劑量的-6脂肪酸才可以激活FFAR4產生抗炎作用，飲食劑量的-6多不飽和脂肪酸會抵消這種抗炎作用。盡管很多研究確定了DHA和EPA的抗炎作用，但FFAR4是否是-3脂肪酸發揮抗炎作用的真正介質仍有疑問。Hirasawa等通過體外實驗發現在含1%牛血清白蛋白的培養基中，FFAR4不會被DHA激活，即使在FFAR4過表達的細胞系統中，FFAR4對-3脂肪酸的半最大效應濃度（half maximal effective concentration，EC）也相對較高（1～10 mmol/L）。長期高劑量-3脂肪酸治療會引起FFAR4脫敏，然而長期食用-3脂肪酸對機體有益。Yamada等也指出，補充EPA可以抑制高脂肪、高蔗糖飲食小鼠脂肪組織中的炎癥信號轉導，但并未證明這種EPA誘導的效應是通過FFAR4產生的。Paerregaard等發現與喂食-6脂肪酸的基因敲除小鼠相比較，喂食-3多不飽和脂肪酸的敲除小鼠抗炎脂肪因子、脂聯素循環蛋白水平增加，空腹胰島素水平下降，內臟脂肪組織中促炎癥分子的mRNA表達量減少；因此作者提出-3脂肪酸發揮抗炎和胰島素抵抗的作用可能獨立于FFAR4信號，而與抗炎、胰島素敏感性脂肪因子、脂聯素水平的增加相關。

總體來說，大量體內外實驗表明FFAR1和FFAR4信號與抗炎作用有關，但是否介導-3多不飽和脂肪酸的抗炎作用仍有爭議，有待進一步的分子生物學驗證。

2.4 調節食欲和改善肥胖

肥胖是長期能量消耗和攝入之間不平衡的結果，肥胖引起的慢性炎癥與胰島素抵抗和2型糖尿病等疾病的發展直接相關。中長鏈脂肪酸與肥胖間的關系較復雜。雖然餐后血漿游離脂肪酸水平的增加會導致胰島素分泌量增加，但長期高脂尤其是高飽和脂肪酸飲食，會促使β細胞凋亡；同時機體中的脂肪酸也會激活攝食獎勵系統，導致攝入更多脂肪。在正常狀態下，當攝入的脂肪酸超過腸道的吸收能力時，腸道中的FFAR1和FFAR4向大腦傳遞“油膩”的味道，停止進食，因此FFARs的功能缺失會導致機體過度攝入脂肪。Ichimura等報道缺陷大鼠儲存的脂肪比野生型大鼠多得多，肥胖和胰島素抵抗也更嚴重。Stone等發現喂食-3脂肪酸后野生型小鼠的胰島素敏感性增強，但在缺陷的高脂飲食小鼠中并未觀察到此效應。綜上，FFAR1和FFAR4的功能障礙可能是導致肥胖和肥胖相關代謝紊亂的重要原因。

FFAR1和FFAR4在胃腸道上皮細胞中表達，負責識別各種攝入的脂肪酸，促進腸內分泌細胞釋放飽腹感信號，如CCK、GLP-1和PYY，通過抑制生長素釋放肽的釋放來減緩胃排空，促進胰島素分泌和抑制食欲。體內和體外實驗證實了游離脂肪酸與合成激動劑激活的FFAR1和FFAR4信號能促進葡萄糖刺激的胰島素分泌（glucose-stimulated insulin secretion，GSIS），機制包括以下兩方面：1）中長鏈游離脂肪酸激活FFAR1下游PKD1磷酸化和FFAR1依賴的肌動蛋白解聚，從而增強GSIS的第二階段；2）LCFA激活FFAR4促進GLP-1的分泌來促進胰腺細胞的GSIS。

Ichimura等通過體內體外實驗均證明了小鼠缺陷顯著降低了[Ca]信號傳導和CCK分泌，而使用ALA能增加促進野生型T-REx 293細胞的[Ca]反應。Drzazga等研究表明，急性棕櫚酸鹽治療促進了人胰島細胞的GSIS，而FFAR4拮抗劑ANT203部分抑制了這些影響。Itoh等證明了在缺陷小鼠中游離脂肪酸對GSIS的影響減弱，而胰島β-細胞FFAR1特異性過表達抑制了高脂飲食誘導的肥胖小鼠高血糖癥的發展。Ludwig等發現在DIO小鼠模型中，飲食中的DHA和EPA可通過減少肝TAG積累、降低血漿非酯化脂肪酸（nonestesterified fatty acid，NEFA）濃度以及改善血漿胰島素水平發揮抗肥胖作用。Hira等指出，LA或ALA的腸道代謝產物，如13-氧代-順式-9（13-oxo--9）、順式-15-18:2（-15-18:2），在鼠STC-1細胞系中也能通過激活FFAR1刺激CCK分泌。

FFAR4功能失調會導致小鼠和人類肥胖。Ichimura等發現與高脂飲食喂養的野生型小鼠相比，缺陷小鼠表現出嚴重的肥胖表型，包括體質量增加、脂肪肝、脂肪生成增多和脂肪細胞炎癥。Sankoda等發現缺陷小鼠CCK分泌水平顯著降低，間接介導了GIP的分泌量減少。此外，棕色脂肪細胞的產熱活性和白色脂肪細胞的褐變是保護機體免受肥胖和代謝疾病影響的關鍵機制。Quesada-López等發現FFAR4被-3多不飽和脂肪酸或者合成激動劑激活后會誘導FGF-21的釋放，促進棕色脂肪細胞活性和白色脂肪細胞褐變，改善肥胖。

然而最近有報道指出，同時激活FFAR4和FFAR1這兩種受體比單獨激活任一受體對調節能量平衡和改善下丘腦炎癥效果更好。因此，可進一步研究FFAR1和FFAR4激活途徑是否有疊加放大信號的效果。

2.5 參與鎮痛作用

FFAR1信號的激活可能有利于減輕疼痛。FFAR1激活后通過調節內源性阿片系統或單胺系統（也稱為下行疼痛控制系統）來發揮抗傷害作用，即FFAR1激活后可促進內源性阿片肽-內啡肽的釋放，并激活大腦中去甲腎上腺素和5-羥色胺神經元，從而控制疼痛。Nakamoto等研究發現，與野生型小鼠相比，缺陷小鼠足底切口誘發的機械性疼痛加劇，下丘腦和中腦中包括DHA在內的幾種游離脂肪酸分泌量增加。另外，側腦室注射DHA或GW9508可顯著減輕福爾馬林誘導的小鼠疼痛，使用FFAR1拮抗劑GW1100來抑制FFAR1信號會加劇小鼠的機械性疼痛。在靜脈注射DHA和GW950810 20 min后，下丘腦-內啡肽的免疫性反應增加。這也證明了中長鏈游離脂肪酸發揮鎮痛作用是通過激活FFAR1信號來調節內源性阿片肽的釋放從而減輕疼痛，而不是脊髓。

與FFAR1不同的是，在嗅球、紋狀體、海馬、中腦、下丘腦、延髓、小腦和大腦皮層以及脊髓這些與疼痛作用相關的區域并未觀察到FFAR4的表達，因此還沒有充分的證據表明FFAR4參與鎮痛作用。

3 FFAR1和FFAR4合成激動劑的研究進展

FFARs作為調節能量代謝的潛在治療靶點受到廣泛關注。雖然FFAR1在促進胰島素和腸促胰島素分泌方面具有突出的優勢，FFAR4在腸促胰島素分泌、胰島素增敏和抗炎作用方面具有巨大的潛力；但其天然配體均是高供能物質，因此通過飲食方法來治療代謝性疾病存在局限性。人工合成的小分子激動劑既可以起到激活下游信號通路產生相應生物學功能，又不會被分解代謝供能以及產生糖脂毒性，是治療肥胖和代謝紊亂的理想藥物。目前FFAR1和FFAR4合成激動劑研究取得了重要進展（表4），包括對受配體結構-功能關系的理解。大量研究已經證明配體結構中的羧基對FFAR1、FFAR4與配體的結合和激活必不可少。研究證明FFAR1與其配體結合的關鍵是其跨膜（transmembrane，TM）螺旋束頂部附近5.39和7.53位置的一對Arg殘基與內源性游離脂肪酸（天然配體）以及各種合成配體中的羧基之間形成離子相互作用；然而，FFAR4的這兩個帶正電荷的殘基（Arg和Arg）并不保守。相反，Arg99是FFAR4與其配體羧基相互作用的關鍵殘基，配體停靠在FFAR4的TM-2,3和TM-5,7之間的一個公共結合口袋中，羧基錨定在TM-2中的Arg99上。此外，Hudson等指出W198與W207之間形成π-π堆積相互作用，因此W198與W207也是FFARs與配體結合的關鍵殘基；比較明確的是疏水效應在FFAR4與激動劑的結合中起重要作用；作者還認為在FFAR4中，配體需要以“V”型的形式與識別口袋結合，而FFAR1中，配體結構需要以較窄的“U”型形式以擠壓到螺旋結構之間。相比于FFAR1的狹窄空腔，FFAR4結合腔更大，更可能暴露于細胞外側。

表4 FFAR1和FFAR4的合成激動劑Table 4 Synthetic agonists of FFAR1 and FFAR4

目前已經鑒定了一種能激活FFAR1的共同結構：苯丙酸部分（酸頭）或酸性生物電子等排體充當氫鍵基團，和作為疏水基團的芳香族或雜芳香族環（芳基尾），該結構類似于脂肪酸，如圖2所示。GW9508是FFAR1的一種合成激動劑（表4），是一種部分激動劑和變構調節劑，也是迄今為止在體外和臨床前研究最廣泛的FFAR1激動劑，可改善多不飽和脂肪酸對FFAR1的效應，刺激Ca釋放。Li Meng等研究表明GW9508通過激活FFAR1調節AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）-ACC信號通路從而改善了C57BL/6小鼠肝X受體（liver X receptor，LXR）誘導的肝脂質積累。TAK-875也是一種強效、選擇性和口服生物可利用的FFAR1激動劑。Tsujihata等證明了TAK-875在不影響胰高血糖素分泌的情況下能增強GSIS，并改善糖尿病模型大鼠在空腹或餐后的高血糖癥。

圖2 FFAR1合成激動劑的典型分子結構[93]Fig. 2 Typical molecular architectures of synthetic FFAR1 agonists[93]

2014年，Srivastava等觀察到了人FFAR1-TAK-875復合物的X射線晶體結構（圖3），這有助于全面理解FFAR1的結合口袋，以設計更有競爭力的候選化合物。盡管TAK-875在II期臨床試驗中表現出良好的控制血糖效果，但其III期臨床試驗因為患者發生嚴重的肝毒性而終止。

圖3 FFAR1-TAK-875復合物的X射線晶體結構[99]Fig. 3 Crystal structure of FFAR1-TAK-875 complex[99]

迄今為止，TUG-891是最具選擇性和效力的FFAR4激動劑，并已證明能增強脂肪細胞的抗炎作用。Zhang Dan等報道GSK137647能促進嚙齒動物細胞的胰島素釋放，改善糖尿病小鼠的餐后高血糖癥。2017年，Adams等報道了一系列含有聯苯環的選擇性FFAR4激動劑，以Compound 18（Merck公司）為代表，它們在嚙齒動物體內能發揮生物活性，其結構見圖4A。基于此，Zhang Xiangying等發現了以SR13（圖4B）為代表的一些具有聯苯支架的化合物，其均具有高FFAR4選擇性和顯著降血糖作用。作者指出FFAR4上的Arg、Trp和Trp對SR13與FFAR4的結合有不同程度的貢獻，SR13羧基附近的苯環中心與Phe苯環之間存在π-π堆積相互作用；此外，還發現SR13在FFAR4和FFAR1之間的選擇性取決于它能否通過優先構象進入配體結合位點，即SR13的優先構象和FFAR1的狹窄入口袋之間的巨大差異決定了它對FFAR1的激動劑活性較低。

圖4 Compound 18（Merck公司）[102]（A）和SR13[103]（B）結構Fig. 4 Structures of Compound 18 (Merck)[102] (A) and SR13[103] (B)

近年來科學家們對FFAR1和FFAR4激動劑結構功能關系的理解有了很大進展，但激動劑在生理環境中如何靶向受體發揮作用仍有許多未解決的問題，目前還沒有合成激動劑通過三期臨床試驗。合成激動劑的研究仍面臨很多難題。首先，某些遠離疏水核心結合位點的氨基酸可能對激動劑與受體的直接結合不重要，但是對FFAR1和FFAR4的激活很重要。比如Hudson等發現FFAR4氨基酸中的Trp突變為丙氨酸時，許多FFAR4激動劑失去活性，盡管它遠離激動劑結合位點。Zhang Xiangying等的研究也證實了FFAR4的Trp殘基對其與SR13的結合沒有影響。因此小分子化合物與受體結合后如何激活受體啟動下游信號還需深入研究。其次，需要闡明FFAR1和FFAR4激動劑偏效性。GPCRs的信號傳遞有偏信號，即激動劑配體可以選擇性地激活受體的一種信號通路，而不是激活來自同一受體的其他下游信號通路。比如，據報道，FFAR4的抗炎作用是由-arrestin2介導的，而促GLP-1分泌作用可能是由G介導的，不同受體模型基于-arrestin2相互作用分析產生的結果是否也轉化為G蛋白介導的Ca信號通路需要闡明。因此，激動劑效應分析應該明確信號通路之間是否重疊或轉化。事實上，鑒于目前所有FFAR1和FFAR4配體之間的化學相似性：包括帶負電荷的羧基和延伸的疏水尾，需要增加合成激動劑的種類多樣性，才能識別對受體具有真正偏好的化合物。最后，激動劑功效評價需要進一步研究。雖然不同物種之間的FFAR1整個序列是高度保守的，且蛋白質水平上小鼠和大鼠FFAR1同源性為95%，與人FFAR1同源性分別是83%和82%，但是人、小鼠和大鼠FFAR1之間結合口袋周圍的氨基酸殘基非常不同。特別是人FFAR1結合口袋中的Leu在大鼠體內被Phe所取代，這導致了某些激動劑的FFAR1激活活性具有物種差異性。然而，人和猴子之間FFAR1的氨基酸序列在配體結合位點附近幾乎相同，只在殘基143位有一處不同，但該殘基遠離結合口袋；因此，在某些情況下，猴子可能是研究受體-激動劑結構功能關系更好的動物模型。

4 結 語

長期高脂攝入將會導致胰腺β細胞凋亡和炎癥反應增加，而游離脂肪酸對機體的健康作用未得到充分重視。中長鏈游離脂肪酸作為機體能量來源和信號分子，通過激活FFAR1和FFAR4，在機體能量平衡和免疫代謝中介導味覺信號傳感、調節食欲、抗炎、胰島素增敏和調節新陳代謝。目前一系列具有特定結構的小分子化合物已被證明能與FFAR1和FFAR4結合并進一步激活下游信號通路產生生理功能。然而中長鏈游離脂肪酸及其受體對機體健康作用研究仍具有許多挑戰。首先，FFAR1和FFAR4的激活能否清除代謝性疾病還不清楚。其次，目前大多數體內實驗評價激動劑功效采用的模型都是大鼠和小鼠，基于二者與人中長鏈游離脂肪酸受體結合口袋周圍氨基酸殘基的差異性，激活的下游信號通路以及產生的生物學效應是否真實代表人類還需要更多數據支撐。再次，FFAR1和FFAR4的分子信號機制與生理功能的關系還需進一步探究。最后，合成激動劑對FFAR1和FFAR4的選擇性機制還需要進一步闡明，這將有助于開發更多不同功效的小分子激動劑。