论脂肪胰岛轴与肠胰岛轴的对话

【摘要】胰高血糖素样肽1(Glucagon-like peptide l,GLP-1)是一种肠促胰岛素,具有促进胰岛素分泌等生理作用,胰岛素可刺激脂肪组织产生和分泌瘦素,而瘦素又可抑制胰岛素分泌,“脂肪-胰岛素内分泌轴”失调参与糖尿病发生发展。近年来的研究揭示虽然瘦素和胰高血糖素样肽-1在不同系统中起不同作用,但它们之间存在着广泛的联系和相互作用,探讨肠胰岛轴和脂肪胰岛轴之间的相互作用从而了解2型糖尿病的发病机制。

【关键词】瘦素 胰高血糖素样肽-1 2型糖尿病 职称论文

几年来随着脂肪-胰岛和肠-细胞分泌胰岛内分泌轴的发现,使其相互作用倍受关注。对于为了更好地了解糖尿病的发病机制,本文主要以瘦素和胰高血糖样肽-1(glucagon-like peptide 1,GLP-1)为例阐述脂肪胰岛和肠胰岛的相互作用。

1 GLP-1与瘦素概述

早在1902年,Baylis和starling通过口服葡萄糖的胰岛素应答反应明显强于静脉注射推测肠道可能存在某种因子[1],后来命名为肠促胰素。肠促胰素主要由GLP-1和糖依赖性胰岛素释放肽(GIP)组成,GLP-1由胰高血糖素原基因表达,在胰岛α细胞中,胰高血糖素原基因的主要表达产物是胰高血糖素,而在肠黏膜的L细胞中,前激素转换酶(PC1)将胰高血糖素原剪切为其羧基端的肽链序列,即GLP-1。GLP-1在2型糖尿病的发生发展中起着更为重要的作用,具有促进胰岛素分泌、胰岛细胞生长、增殖和分化并抑制胰岛β细胞凋亡,调节摄食等多种作用。

瘦素是1994年zhang等年通过定位克隆技术识别出ob(肥胖)基因编码的167个氨基酸的蛋白质,定名为瘦素。瘦素主要由白色脂肪产生和分泌。瘦素血浓度与身体白色脂肪量呈正相关。瘦素最主要的功能是:①抑制食欲,减少能量摄取;②增加能量消耗;③通过脂肪组织的obRb直接抑制脂类的合成。肥胖的患者血清瘦素含量反而很高可能存在瘦素抵抗,而瘦素抵抗在胰岛素抵抗的发生发展中起着重要作用

2 GLP-1和瘦素对胰岛素分泌合成的调节

GLP-1结合到胰岛β细胞的GLP-1特异性受体,G蛋白偶联受体,激活腺苷酸环化酶,使β细胞内cAMP浓度升高,激活蛋白激酶A,钾通道关闭,使细胞去极化,诱发电压依赖性Ca2+通道开放,细胞外的Ca2+内流,细胞内Ca2+浓度增加,使β细胞内贮存的胰岛素小泡转移至细胞膜出胞,最终诱发胰岛素分泌。Skoglund等研究发现,GLP-1可剂量依赖性地活化胰岛素基因启动子1上cAMP反应元件(CRE),通过cAMP介导,增强胰岛素基因转录因子活性,增加胰岛素mRNA水平。不过这个特点不是维持正常前胰岛素基因表达所必需的,因为胰岛素mRNA在健康鼠和GLP-l受体双缺陷鼠中的转录量差异不大。腺十二指肠同源框1(pancreaticduodenal homeobox-1,PDX-1)对胰腺发育和胰岛素转录的调节具有重要作用,其借助N端与胰岛素基因启动子A1和A3/A4结结合,调控胰岛素基因转录表达PDX-1也与人胰岛素基因的CG2元件结合,此元件对胰岛素基因的激活很关键。GLP-l能够激活反式激活表皮生长因子受体(EGFR),EGFR激活磷酸肌醇3激酶(phosphoinositide 3-kinase,P13K)及其下游的PKB/Akt和丝裂原活化蛋白激酶P38(P38MAPK),被激活的Akt可以阻止转录因子Fox01进入细胞核内,进而解除Fox01对PDX-1启动子的活性的抑制作用,增加胰岛素基因的表达。Moritz等发现,GLP-1能增强组成ATP敏感性钾通道(K+ATP)的Kir6.2基因启动子和转录子活性,增加K+ATP通道表达,改变Ca2+内流,调节胰岛素分泌。GLP-1又可使GLUT1、GLUT2、己糖激酶Ⅰ以及葡萄糖激酶等基因表达增加,使机体对葡萄糖敏感性亦随之增强[10]。因此,很明显GLP-1促胰岛素分泌作用不仅加强了葡萄糖诱导的胰岛素分泌的急性效应胞吐作用,而且激发了胰岛素的转录水平。

许多研究显示,瘦素通过(1)自主神经介导作用;(2)生理浓度的瘦素直接作用于β细胞上的瘦素受体,激活K+通道,导致β细胞膜超极化,使胰岛素分泌减少,进而减少脂肪合成。(3)生理浓度的瘦素通过激活PI3K依赖性的环核苷酸磷酸二酯酶,降低CAMP,抑制胰岛素基因的表达。瘦素引导超极化作用在空腹时明显,此时胰岛素水平是低的,进食后,胰岛素分泌增加,可抵消瘦素导致的细胞膜超极化,肥胖的T2DM患者由于空腹时仍有高胰岛素水平,抑制了瘦素开放K+通道的作用,导致瘦素不能使胰岛素分泌减少,持续的高胰岛素血症使下丘脑的瘦素受体解离,使瘦素应产生的饱感及能量消耗的信号传导作用减弱,更加不能抑制胰岛素分泌。同时瘦素抑制细胞内游离钙内流,慢性作用时还可抑制GKmRNA表达,提示瘦素可通过抑制胰岛β细胞葡萄糖信号传递,抑制胰岛素分泌。胰岛素对瘦素分泌起慢性调节作用,胰岛素直接作用于脂肪细胞水平调控瘦素分泌,高胰岛素血症在数小时之后出现白色脂肪组织中瘦素表达及分泌增高[11][12]。可见,脂肪胰岛轴在瘦素的介导下取得动态平衡。

瘦素抑制胰岛素分泌与血糖浓度及GLP-1有关。将瘦素与大鼠分离出来的β细胞培养1-2小时后,胰岛素分泌减少13%-80%,而在存在高血糖时,瘦素的抑制作用明显下降,在同时存在肠促胰岛素时,瘦素抑制胰岛素分泌的作用完全被阻断。提示瘦素主要在空腹时抑制胰岛素分泌,而进食后血糖增高,GLP-1亦增高,消除了瘦素对胰岛素分泌的抑制作用。

3 GLP-1和瘦素对β细胞的作用。

餐后GLP-1分泌,一方面可以作用于β细胞,增加对葡萄糖敏感的β细胞的数量,还可使具有葡萄糖敏感性的β细胞的亲糖能力显着增强,另外还可以作用于α细胞,减少餐后胰高血糖素分泌,作用于中枢激发饱食感,减少进食,从而减轻β细胞工作负荷,达到保护β细胞的作用。

GLP-1通过抑制β细胞凋亡作用的信号转导途径的机制保护β细胞,抑制凋亡。可能主要是通过PI3K-PKB/Akt和丝裂原活化蛋白激酶家族(mitogen-activated protein kinase MAPK)等信号转导途径,调节前凋亡蛋白(如caspase)或抗凋亡蛋白(如Bcl-2,Bcl-xl)活性,从而抑制β细胞凋亡。

GLP-1活化的PI3K激活Akt信号转导途径,同时GLP-1也可促进cAMP激活cAMP反应元件(CREB),其通过转录激活作用提高胞内胰岛素受体底物蛋白-2(IRS-2)的水平,进而调节IRS-2-生长因子途径,激活Akt[13]。活化的Akt介导的GLP-1抗β细胞凋亡可能涉及以下两种机制:(1)调节Bcl-2家族成员的活性[14],(2)使NF-κB磷酸化而被激活,随后转移入核作为转录因子调节抗凋亡相关蛋白Bcl-2、Bcl-xL基因的转录[15]。

GLP-1与受体结合后可通过cAMP水平的增加来激活Epac,从而激活Ras家族中的Rap1蛋白,活化型Rap1蛋白进一步激活Raf,后者激活MAPK/ERK[16],活化的ERK二聚体可在胞浆内或转移到细胞核内使一系列的细胞因子(Bcl-2,NF-κB)发生磷酸化从而调节细胞凋亡。GLP-1激活EGFR-PI3K-Pdxl通路可以促进β细胞增殖和存活[17],p38MAPK、磷脂酰肌醇激酶(P13K)以及糖代谢信号等又可加强PDX-1反应性,使GLP-1促增殖作用进一步增强[15][18]。

GLP-1不影响胰岛基础微循环,但阻断了高血糖诱导的胰腺血流向胰岛内重分布,GLP-1降低GK大鼠的基础胰岛高灌注和糖负荷后IBF,从而逆转毛细血管内高压,可能是其除了促进细胞增殖和分化、抑制凋亡以外另一个细胞保护机制[19]。活化的PKB能抑制油酸对β细胞的脂毒性作用[20]。GLP-1通过增加胰岛素样的生长因子Igf-2/Igf-1受体自分泌环的活性保护β细胞免遭凋亡[21]。

Ling等提出,GLP-1信号转导途径对β细胞分化至关重要。PDX-1对胰腺形成与发育也具有重要作用,GLP-1可通过增强PDX1基因表达诱导胰岛和胰管内前体细胞或干细胞分化为胰岛β细胞[18][22][23]。PDX- 1缺陷的人或动物,可引起胰腺功能全面衰竭[24][25][26]。

人胰岛长期暴露于瘦素中可以导致胰岛β细胞凋亡。瘦素诱导培养的人胰岛细胞释放IL-1β,使β细胞表达IL-1Rα减少,IL-1β/IL-1Rα比值增加,从而损伤β细胞的功能,并促进β细胞的凋亡[27]。但也有研究发现,瘦素能对抗β细胞的凋亡,瘦素可以完全阻止正常胰岛细胞中的脂肪酸引起对Bcl-2的抑制;降低胰腺乙酸辅酶A活化酶活性及脂肪酸合成酶的表达,减少胰岛细胞内脂肪沉积,防止其功能受损。目前不知是否是由于不同剂量的瘦素产生的对β细胞的不同的影响。

4 GLP和瘦素对摄食的调节作用

研究者认为,GLP-1是通过多种途径产生降低体重的作用,包括抑制胃肠道蠕动和胃液分泌,抑制食欲及摄食,延缓胃内容物排空[28]。

GLP-1致厌食作用与下丘脑的摄食中枢的关系:GLP-1至少有两种途径进入下丘脑食欲控制中心[29]。脑中产生的GLP-1和来自肠道的血液中的GLP-1。这两种途径相互没有冲突。在中枢神经系统,在脑干、弓状核、室旁核中都存在GLP-1受体,GLP-1在下丘脑作为一种神经递质直接刺激饱食中枢。PG在延髓孤束核中表达并进一步剪切成胰高血糖素样肽,但是这种途径恐怕不能在进餐后20-30分钟内产生饱足感。所以更有可能是肠道产生的GLP-l刺激瘦素信号进入下丘脑。GLP-1神经纤维与下丘脑促肾上腺皮质激素释放激素(Corlicotropin Releasing Hormone,CRH)神经元相互作用可能导致了GLP-1抑制摄食的全面作用。中枢CRH被认为是一个厌食因子,中枢给予CRH可引起厌食反应,减低食欲,并激活交感神经因其能量消耗。信号转导过程可能是GLP-1与G蛋白耦联的受体结合,激活环磷腺苷的胞内信号转导通路,引起CRH神经元内核转录因子磷酸化,再与CRH基因的启动子结合导致CRH的表达。

由肠腔内容物引起的GLP-1的释放可减慢胃排空和小肠运动,参与所谓“回肠制动”效应。GLP-1能抑制餐后胃排空和减少胃酸分泌,可通过抑制迷走神经而抑制胃和十二指肠的蠕动,增加幽门部的压力,从而延缓胃排空,降低食欲,减轻体重。给正常个体静脉注射GLP-1可使50%胃排空时间由(28±2)min延长到(50±9)min[30]。

瘦素的中枢作用通过其对下丘脑神经肽通路的影响而实现。瘦素受体在弓状核,腹侧正中下丘脑核、边下丘脑核、背中线下丘脑核、旁室旁核都有高水平表达。下丘脑的神经肽(NPY)是促进摄食量的一个最强有力的诱导因子和棕色脂肪组织产热的抑制因子,它能增加血中胰岛素水平。体重增加使脂肪组织表达其自身容积的信号-瘦素分泌增加。作用于下丘脑使POMC系统合成增加,MSH为其一种成份,作用于黑色素促皮质受体4(M4),引起摄食减少,耗能增加及交感神经功能加强以消耗脂肪的容量。而当机体处于饥饿状态脂肪组织容量的下降时,瘦素作用于下丘脑使NPY合成分泌增加,通过Y5受体,机体产生摄食增加,副交感功能增强,耗能减少,从而恢复脂肪的容量。在许多肥胖鼠和禁食鼠模型中,下丘脑NPY的表达上升,通过瘦素处理可以直接抑制NPY从正常动物下丘脑的释放,引起采食量迅速降低,产热增加及在体重降低之前的糖血症及胰岛素血症的改善。在饥饿状况下,NPY神经元被激发,大部分是由于NPY的激发降低了用来抑制NPY激发的瘦素水平;反之,瘦素则抑制NPY的激发。因此,在脑和神经下行作用时,NPY是瘦素作用的主要目标。当瘦素不起中枢作用时,NPY水平不断提高,因此出现肥胖;当下丘脑NPY和瘦素共同作用时,体重表现出自身的稳定性。NPY遗传缺失的小鼠仍能维持正常体重,说明了瘦素还有可能通过其它一些因子和途径来调节体重[31]。

在脑干的GLP-1的神经元发现有瘦素受体,暗示着二者有相互作用。瘦素可以加强GLP-1的对食物摄取和体重减少的作用,因为都可以诱导转录因子c-fos的表达,也可能激活与摄食有关的神经元活性。干扰GLP–1信号不会影响的ob/ob小鼠的长期控制体重或胰岛素抵抗的作用。GLP-1和低剂量的瘦素对摄食的抑制作用相加。同时在结节神经节细胞发现他们的受体,瘦素和GLP-1在外周也是相互作用,瘦素可以刺激GLP-1的释放。在急性试验中低剂量的瘦素不改变GLP-1依赖的食物摄取。相似的,重复注射瘦素不影响GLP-1诱导的摄食抑制。GLP-1为影响食欲的短期信号,即仅影响到一顿饭的食欲,而瘦素是影响食欲的长期信号,决定食欲的基础水平[32]