Irisin調(diào)節(jié)代謝的研究進(jìn)展

牛尚梅(綜述)，宋光耀，馬慧娟※(審校)

(1.河北醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，石家莊 050017； 2.河北醫(yī)科大學(xué)內(nèi)科學(xué)教研室，石家莊 050017； 3.河北省人民醫(yī)院內(nèi)分泌科，石家莊 050051)

Irisin是2012年年初由Spiegelman實(shí)驗(yàn)室在《自然》雜志上報道的一種新的肌肉因子，發(fā)現(xiàn)者用希臘神話中信使女神Iris的名字為其命名，暗喻其像Iris一樣，作為骨骼肌的使者，傳遞骨骼肌的信號，并連接骨骼肌與外周組織的關(guān)系[1]。Spiegelman教授因此而獲得了72屆美國Banting科學(xué)成就獎[2]。大家普遍認(rèn)為,Irisin有望成為代謝性疾病治療的新靶點(diǎn)。

1 Irisin的分子生物學(xué)結(jié)構(gòu)

Irisin是Ⅲ型纖連蛋白組件包含蛋白5(fibronectin type Ⅲ domain-containing protein 5，F(xiàn)NDC5)經(jīng)蛋白水解酶水解后形成的可分泌多肽片段，又稱作Ⅲ型纖連蛋白重復(fù)包含蛋白2或過氧化物酶體蛋白[3-4]。小鼠FNDC5的基因位于第4號染色體上，基因長度約為5.1 kb，其中含有6個外顯子。FNDC5的轉(zhuǎn)錄起始區(qū)位于第1個外顯子；第1和第2外顯子共同表達(dá)信號肽；第2和第3外顯子共同表達(dá)Ⅲ型纖連蛋白組件；第4和第5外顯子則表達(dá)跨膜結(jié)構(gòu)域[3]。小鼠的FNDC5蛋白由209個氨基酸組成，相對分子質(zhì)量約為23×103，其中1～30氨基酸是信號肽；31～114氨基酸為Ⅲ型纖連蛋白組件；115～172號氨基酸為疏水的跨膜結(jié)構(gòu)域[4]。質(zhì)譜分析結(jié)果表明，F(xiàn)NDC5在切除N端信號肽后，在112號谷氨酸處被蛋白水解酶裂解，形成一段約110個氨基酸的多肽片段，即Irisin。Irisin的序列在種屬間高度保守，人和小鼠的Irisin氨基酸序列完全相同[1]。

2 Irisin的病理生理學(xué)功能

2.1Irisin與肥胖 外源性給予Irisin可顯著減輕高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠肥胖。在正常飲食BALB/c小鼠及C57BL/6小鼠，靜脈注射含F(xiàn)NDC5全長的腺病毒10 d后，發(fā)現(xiàn)皮下脂肪組織中解偶聯(lián)蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)的表達(dá)升高至13倍，免疫組織化學(xué)結(jié)果顯示UCP1陽性細(xì)胞增多，脂肪細(xì)胞數(shù)量增加，但對體質(zhì)量沒有明顯作用。然而，在高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖C57BL/6小鼠，靜脈注射含F(xiàn)NDC5全長的腺病毒10 d后，與對照組相比，小鼠白天及夜晚的能量消耗均顯著增加，體質(zhì)量顯著減輕[1]。上述實(shí)驗(yàn)提示，只有在肥胖狀態(tài)下給予外源性Irisin才具有減輕體質(zhì)量的效應(yīng)。對人的研究發(fā)現(xiàn)，肥胖者血中Irisin與體質(zhì)量指數(shù)、血糖等呈正相關(guān)，與年齡、胰島素、膽固醇等指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)[5]。

2.2Irisin與糖尿病 Choi等[6]發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者的血清Irisin水平是降低的，并且與新發(fā)2型糖尿病的發(fā)病率呈反比，表明Irisin可能在糖耐量和2型糖尿病中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Liu等[7]在對96例糖尿病患者和60例非糖尿病者的對照研究中發(fā)現(xiàn)，與非糖尿病者相比，2型糖尿病患者的血清Irisin水平顯著降低。在非糖尿病者中，血清Irisin水平與年齡、體質(zhì)量指數(shù)、總膽固醇和總?cè)８视?、空腹血糖及舒張壓有關(guān),進(jìn)一步的多元回歸分析顯示Irisin與體質(zhì)量指數(shù)和空腹血糖密切相關(guān)。然而，經(jīng)相同方法分析后發(fā)現(xiàn)，在2型糖尿病患者中，血清Irisin水平與上述代謝表型的主要標(biāo)志物無關(guān)，具體原因并不清楚，Liu等[7]分析可能與選取的受試者有關(guān)，例如糖尿病的病程，有無并發(fā)癥等。

2.3Irisin與非酒精性脂肪肝的關(guān)系 Zhang等[8]發(fā)現(xiàn)，血清Irisin水平在非酒精性脂肪肝的肥胖患者中降低。將肝內(nèi)三酰甘油的水平分成四個等級，血清Irisin水平隨著三酰甘油水平的增加而逐漸減少。三酰甘油水平較低時，血清Irisin的水平較高。血清谷丙轉(zhuǎn)氨酶及谷草轉(zhuǎn)氨酶的水平與血清Irisin水平呈反比。多元線性回歸分析表明，血清Irisin水平與肝臟內(nèi)脂肪獨(dú)立相關(guān)。校正多變量代謝因素后的Logistic回歸分析表明，血清Irisin水平每增加1個標(biāo)準(zhǔn)差肝內(nèi)出現(xiàn)三酰甘油水平升高的比值比減少12.4%[8]。該研究只是確定了血清Irisin水平與肥胖的中國成人的肝臟三酰甘油水平之間的關(guān)系，其他地區(qū)的研究未見報道，Irisin水平與肝臟其他代謝指標(biāo)之間關(guān)系的研究也鮮有報道，Irisin與肝臟之間的相互作用的具體機(jī)制尚不清楚。因此，關(guān)于Irisin與非酒精性脂肪肝的關(guān)系尚待進(jìn)一步研究。

3 Irisin調(diào)節(jié)代謝的機(jī)制——誘導(dǎo)白脂肪棕色變

3.1脂肪細(xì)胞的種類 大量的研究已經(jīng)證實(shí)[5]，Irisin可以通過誘導(dǎo)白脂肪“棕色化”而達(dá)到減肥的目的，并且這正是運(yùn)動通過過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γcoactivator 1α，PGC-1α)減肥的最終原因所在。體內(nèi)存在三種不同類型的脂肪細(xì)胞：①白脂肪細(xì)胞，線粒體少，無UCP1，僅單一脂質(zhì)沉積；可分泌脂肪細(xì)胞因子，與炎癥相關(guān)，可貯存能量，導(dǎo)致肥胖。②米黃脂肪細(xì)胞，線粒體多，通過UCP1解偶聯(lián)呼吸，可消耗能量，維持體溫，在一定條件下，白脂肪組織細(xì)胞可以經(jīng)前脂肪細(xì)胞/間充質(zhì)前體細(xì)胞轉(zhuǎn)變成米黃脂肪細(xì)胞[9]。③棕脂肪細(xì)胞,線粒體多，以提供足夠的解偶聯(lián)呼吸，耗能升溫，拮抗肥胖，多種脂質(zhì)沉積，它與肌細(xì)胞可以由共同的初始祖細(xì)胞分化而來。其中米色脂肪細(xì)胞是最近發(fā)現(xiàn)的，過去的研究認(rèn)為人類棕脂肪細(xì)胞會隨著年齡增長而進(jìn)行性退化，到成人幾乎不存在棕脂肪組織，但近年來發(fā)現(xiàn)(尤其在寒冷低溫條件下)成人也存在棕色脂肪，主要分布于頸下、鎖骨上和脊柱旁等區(qū)域[10-12]，且成人棕脂肪組織由米色脂肪細(xì)胞組成[13]。經(jīng)典的棕脂肪細(xì)胞來源于myf-5細(xì)胞系，而米色脂肪細(xì)胞是非myf-5細(xì)胞系白脂肪組織來源的UCP1陽性細(xì)胞。它是從小鼠的白脂肪組織中分離而來，米色脂肪細(xì)胞和白脂肪細(xì)胞相似，在基礎(chǔ)狀態(tài)下低表達(dá)UCP1。但是米色脂肪細(xì)胞同經(jīng)典的棕脂肪細(xì)胞一樣，在環(huán)腺苷酸刺激下高表達(dá)UCP1，并且氧化呼吸率增強(qiáng)。米色脂肪細(xì)胞在Irisin刺激下的基因表達(dá)譜與白脂肪和棕脂肪均不同[14]。因此,它表現(xiàn)為棕脂肪和白脂肪的雙重屬性,即白脂肪“棕色化”形成米色脂肪。白脂肪的主要功能是儲存脂肪。UCP1的表達(dá)增多和線粒體含量的增多使得棕脂肪有非-震顫性產(chǎn)熱的特征，即線粒體氧化所產(chǎn)生的能量以熱的形式散發(fā)[15-17]。此外，高水平的棕脂肪可以抵御代謝病。誘導(dǎo)嚙齒動物棕色化的程序可以減輕體質(zhì)量，改善血糖平衡[18]。盡管以前人們認(rèn)為人類棕脂肪組織會隨著年齡增長而進(jìn)行性退化，到成人幾乎不存在棕脂肪，最近研究卻表明這一觀點(diǎn)是錯誤的[10-11]。然而，重要的是，van Marken Lichtenbelt等[11]稱超重或肥胖者棕脂肪含量顯著減少，棕脂肪與體質(zhì)量指數(shù)和體脂比例均呈負(fù)相關(guān)，而與靜息代謝率呈顯著正相關(guān)。因此，棕脂肪組織在成年人是存在并有功能的，棕脂肪含量減少與肥胖有關(guān)。

3.2Irisin誘導(dǎo)白脂肪棕色化 研究證實(shí),Irisin對于培養(yǎng)液和體外某些白脂肪組織的棕色化發(fā)揮了強(qiáng)大的作用。低水平的Irisin就可以使原代白脂肪細(xì)胞的培養(yǎng)液中UCP1的水平增加50倍或更多，導(dǎo)致呼吸作用增強(qiáng)。循環(huán)中Irisin的水平輕度增加可以誘導(dǎo)體內(nèi)白脂肪組織棕色化，包括UCP1表達(dá)增加。Bostr?m等[1]還從分子水平探究Irisin是如何誘導(dǎo)棕色化的，而且評估了FNDC5是否在體內(nèi)有功能，能否使飲食誘導(dǎo)的肥胖和胰島素抵抗小鼠模型的疾病得到改善。Bostr?m等[1]首先在正常飲食的C57BL/6小鼠中證實(shí)，通過腺病毒載體運(yùn)送FNDC5可以使FNDC5 mRNA的水平增加15倍，Irisin的全血水平增加3～4倍。注射后10 d，可檢測到UCP1 mRNA水平增加13倍，伴有Cidea的表達(dá)顯著增加，Cidea是CIDE(cell death-inducing Dff45 like effector)家族蛋白的成員之一[19]，研究發(fā)現(xiàn)，Cidea在成年小鼠的棕脂肪組織中表達(dá)，能夠調(diào)節(jié)機(jī)體的脂代謝以及肥胖的發(fā)生。接著，它們將表達(dá)FNDC5的腺病毒傳遞到高脂喂養(yǎng)的C57BL/6小鼠身上，表現(xiàn)出相似的棕色化模型。重要的是，Cidea的這種輕微增加(3倍)伴隨著氧耗增加，體質(zhì)量減輕，糖耐量改善，空腹胰島素水平的降低[1]。

最后，Bostr?m等[1]在游泳訓(xùn)練之前對小鼠注射抗FNDC5抗體來檢測Irisin是否對運(yùn)動誘導(dǎo)的棕色化程序是必要的，結(jié)果由UCP1和Cidea mRNA的水平來衡量，表明對小鼠注射抗FNDC5抗體將導(dǎo)致應(yīng)答完全阻滯。因此，Irisin除了誘導(dǎo)改善代謝指標(biāo)的棕色化的基因型和表型外，在運(yùn)動誘導(dǎo)的白脂肪棕色化中也發(fā)揮著不可或缺的作用。

3.3Irisin誘導(dǎo)棕色化的機(jī)制 無論是嚙齒動物還是人類，Irisin均隨運(yùn)動鍛煉加強(qiáng)而增加，血漿Irisin水平(粗略估計50 μmol/L)升高約2倍，與綠熒光蛋白介導(dǎo)組比較，Irisin組顯著降低空腹高胰島素血癥。使糖耐量受損改善，恢復(fù)葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)[20]。因此推測Irisin的作用模式是通過運(yùn)動鍛煉，由肌細(xì)胞產(chǎn)生，然后作用于白脂肪組織，使之“棕色化”，具有棕脂肪細(xì)胞的生物學(xué)特征，從而改善代謝狀態(tài)。與注射對照抗體的小鼠相比，在游泳訓(xùn)練前10 d注射抗FNDC5抗體到小鼠體內(nèi)可能顯著降低運(yùn)動對UCP1和Cidea基因表達(dá)的作用。因此，Irisin對于運(yùn)動誘導(dǎo)的白脂肪棕色化是必不可少的[1]。

長期耐力運(yùn)動可以誘導(dǎo)骨骼肌表達(dá)PGC-1α，上調(diào)FNDC5的表達(dá)。Bostr?m等[1]在野生型小鼠的血漿中發(fā)現(xiàn)了Irisin，在肌肉組織特異性剔除PGC-1α，會使Irisin減少72%。自由跑運(yùn)動3周后，小鼠血漿Irisin的水平增加65%，相應(yīng)地，健康人經(jīng)過10周耐力訓(xùn)練后血漿Irisin水平加倍。

為明確Irisin是否參與介導(dǎo)PGC-1α誘導(dǎo)的白脂肪棕色化，在將Irisin補(bǔ)充至脂肪細(xì)胞之前，對表達(dá)PGC-1α的肌肉細(xì)胞培養(yǎng)基進(jìn)行抗FNDC5處理，這種處理完全阻斷了棕色化程序的誘導(dǎo)[1]。

另一研究還發(fā)現(xiàn)，Irisin誘導(dǎo)了過氧化物酶體增生物激活受體α(peroxisome proliferator-activated receptorα，PPARα)的表達(dá)，它被認(rèn)為是一種增加UCP1表達(dá)的中間的下游效應(yīng)劑(在棕脂肪組織中高表達(dá)，并且是棕色化的標(biāo)志物)。在FNDC5處理的脂肪細(xì)胞PPARα的mRNA表達(dá)增加，其特異性的拮抗劑能阻斷FNDC5促進(jìn)UCP1表達(dá)的效應(yīng)，抵消FNDC5對瘦素和脂聯(lián)素表達(dá)的抑制效應(yīng)，提示PPARα可能是FNDC5的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之一[21]。

4 結(jié) 語

肥胖和糖尿病患血清Irisin水平發(fā)生變化，并且與血糖、體質(zhì)量指數(shù)有關(guān)。運(yùn)動可以誘導(dǎo)骨骼肌PGC-1α的表達(dá)，上調(diào)FNDC5，F(xiàn)NDC5斷裂產(chǎn)生Irisin，從而誘導(dǎo)白色脂肪棕色化，亦即PGC-1α/Irisin/UCP1通路，從而導(dǎo)致能量消耗增多，產(chǎn)熱增多，減輕體質(zhì)量，改善糖耐量和胰島素抵抗。其下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可能涉及PPARα，但仍不明確。運(yùn)動是防治肥胖癥的最佳健康治療方式，但生活中有一些不能或不愿參加運(yùn)動的人群，因而開發(fā)模擬運(yùn)動效果的藥物亦成為治療代謝性疾病的重要研究課題。新激素Irisin將會產(chǎn)生與運(yùn)動相似的治療結(jié)果，有望成為防治肥胖和糖尿病的新型藥物。

[1] Bostr?m P,Wu J,Jedrychowski MP,etal.A PGC1-alpha-dependent myokine that drives brown-fat-like development of white fat and thermogenesis[J].Nature,2012,481(7382):463-468.

[2] 魏曉偉，馬曉偉.脂肪生成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控——邁向代謝性疾病治療的新時代[J].中國糖尿病雜志，2012，20(9):662.

[3] Teufel A,Malik N,Mukhopadhyay M,etal.Frcp1 and Frcp2,two novel fibronectin type Ⅲ repeat containing genes[J].Gene,2002,297(1/2):79-83.

[4] Ferrer-Martínez A，Ruiz-Lozano P，Chien KR.Mouse PeP:a novel peroxisomal protein linked to myoblast differentiation and development[J].Dev Dyn,2002,224(2):154-167.

[5] Huh JY,Panagiotou G,Mougios V,etal.FNDC5 and Irisin in humans:Ⅰ.Predictors of circulating concentrations in serum and plasma and Ⅱ.mRNA expression and circulating concentrations in response to weight loss and exercise[J].Metabolism，2012，61(12):1725-1738.

[6] Choi YK,Kim MK,Bae KH,etal.Serum Irisin levels in new-onset type 2 diabetes[J].Diabetes Res Clin Pract,2013,100(1):96-101.

[7] Liu JJ,Wong MD,Toy WC,etal.Lower circulating Irisin is associated with type 2 diabetes mellitus[J].J Diabetes Complications,2013,27(4):365-369.

[8] Zhang HJ,Zhang XF,Ma ZM,etal.Irisin is inversely associated with intrahepatic triglyceride contents in obese adults[J].J Hepatol,2013,59(3):557-562.

[9] Ishibashi J,Seale P.Medicine.Beige can be slimming[J].Science,2010,328(5982):1113-1114.

[10] Virtanen KA,Lidell ME,Orava J,etal.Functional brown adipose tissue in healthy adults[J].N Engl J Med,2009,360(15):1518-1525.

[11] van Marken Lichtenbelt WD,Vanhommerig JW,Smulders NM,etal.Cold-activated brown adipose tissue in healthy men[J].N Engl J Med,2009,360(15):1500-1508.

[12] Cypess AM,Lehman S,Williams G,etal.Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans[J].N Engl J Med,2009,360(15):1509-1517.

[13] Wu J,Bostrom P,Sparks LM,etal.Beige adipocytes are a distinct type of the thermogenic fat cell in mouse and human[J].Cell,2012,150(2):366-376.

[14] Lazo M,Hernaez R,Bonekamp S,etal.Non-alcoholic fatty liver disease and mortality among US adults:prospective cohort study[J].BMJ,2011,343:d6891.

[15] Handschin C,Spiegelman BM.The role of exercise and PGC1alpha in inflammation and chronic disease[J].Nature,2008,454(7203):463-469.

[16] Lidell ME,Enerb?ck S.Brown adipose tissue-a new role in humans[J].Nat Rev Endocrinol,2010,6(6):319-325.

[17] Ravussin E,Galgani JE.The implication of brown adipose tissue for humans[J].Annu Rev Nutr,2011,31:33-47.

[18] Zhou Z,Yon Toh S,Chen Z,etal.Cidea-deficient mice have lean phenotype and are resistant to obesity[J].Nat Genet,2003,35(1):49-56.

[19] Ito M,Nagasawa M,Omae N,etal.Differential regulation of CIDEA and CIDEC expression by insulin via Akt1/2-and JNK2-dependent pathways in human adipocytes[J].J Lipid Res,2011,52(8):1450-1460.

[20] Cunha A.Basic research:Irisin-behind the benefits of exercise[J].Nat Rev Endocrinol,2012,8(4):195.

[21] Hiukka A,Maranghi M,Matikainen N,etal.PPARalpha:an emerging therapeutic target in diabetic microvascular damage[J].Nat Rev Endocrinol,2010,6(8):454-463.