載脂蛋白E與糖尿病

劉文，張寧

(1.中國醫(yī)科大學 95K5B，遼寧 沈陽 110004; 2.中國醫(yī)科大學 病理生理學教研室，遼寧 沈陽 110004)

載脂蛋白E(apolipoprotein E，Apo E)是一種富含精氨酸的糖基化分泌蛋白，分子量34.2kDa[1]，基因位于人類第19號染色體長臂13區(qū)2帶，由4個外顯子和3個內(nèi)含子，共3 597個核苷酸組成[2]。其cDNA長1 163 kb，翻譯最初產(chǎn)物為含317個氨基酸的蛋白質(zhì)，后被信號肽裂解，變成由299個氨基酸組成的成熟蛋白[3]。哺乳動物體內(nèi)約有3/4的Apo E由肝臟實質(zhì)細胞產(chǎn)生，其余由脾、腦、肺、腎、卵巢、腎上腺及肌肉的細胞或組織產(chǎn)生[1]。

人類的Apo E有3種等位基因,即ε2、ε3和ε4，構(gòu)成6種不同的基因型，3種純合型(ε2/ε2、ε3/ε3、ε4/ε4)和3種雜合型(ε3/ε4、ε2/ε3、ε2/ε4)。根據(jù)其表型分為E2基因型(ε2/2、ε3/2)、E3基因型(ε3/ε3)、E4基因型(ε4/3、ε4/2、ε4/4)，其中E3為野生型[4]。與E3相比，E2第158位的精氨酸替換為半胱氨酸，E4第112位的半胱氨酸替換為精氨酸[5]。E3和E4表達的載脂蛋白比E2表達的載脂蛋白對低密度脂蛋白受體(low density lipoprotein-receptor，LDL-R)的親和力高100倍[6]。

Apo E存在于乳糜微粒(chylomicron，CM)、極低密度脂蛋白(very low density lipoprotein，VLDL)和部分高密度脂蛋白(higy density lipoprotein，HDL)中，且可以與其受體相結(jié)合，通過低密度脂蛋白受體(LDL-R)途徑和非LDL-R途徑發(fā)揮清除血脂的作用[7]，其濃度與血漿甘油三酯含量呈正相關(guān)。Apo E蛋白質(zhì)分子可以被凝血酶水解為兩個區(qū)域，N端(1～191)為22 kD的可溶性球蛋白，此區(qū)域較穩(wěn)定。其中136～158位肽段是受體結(jié)合位點，構(gòu)成反平行的四螺旋束。該區(qū)域的堿性氨基酸(精氨酸和賴氨酸)在受體結(jié)合中起重要作用，一旦被修飾，與受體結(jié)合能力顯著下降；由209～299氨基酸殘基組成的C端結(jié)構(gòu)域螺旋程度很高不穩(wěn)定，是主要的脂質(zhì)結(jié)合區(qū)[8]。該區(qū)域存在3個螺旋，其中2個為A型(203～223和225～266)，第三個(268～289)為一種G型螺旋。G螺旋和第二螺旋的末端在脂質(zhì)連結(jié)，在Apo E的四聚體化過程中起重要作用。更精確的說是263～286片段可能在脂連結(jié)Apo E與VLDL的結(jié)合中起關(guān)鍵作用[9]。

Apo E在血脂清除方面發(fā)揮重要功能，其異?？蓪е聞用}粥樣硬化和心腦血管疾病。此外，Apo E還參與組織修復、抑制血小板聚集、免疫調(diào)節(jié)和抑制細胞增殖，以及神經(jīng)系統(tǒng)的生長及損傷后的修復[10]。在缺血性腦卒中、腦出血、阿爾茨海默病和精神分裂癥等疾病的病理過程中發(fā)揮重要作用。

1 Apo E異常引發(fā)糖尿病的機制

Apo E異常與糖尿病的密切關(guān)系已得到廣泛的認同。Apo E數(shù)量的缺乏、基因多態(tài)性所致的蛋白結(jié)構(gòu)變化和Apo E在脂蛋白中的相對分布失衡均能引起血脂代謝異常，進而引發(fā)糖尿病。

1.1 血脂代謝異常與糖尿病的關(guān)系

大量實驗證明，由甘油三酯、VLDL水平升高和HDL水平的降低引起的血脂異常是糖尿病的危險因素之一。臨床觀察到，血脂異常通常早于糖尿病幾年出現(xiàn)，這表明脂蛋白的異?？赡苷T發(fā)了糖尿病的病理過程[11-12]，HDL低的個體更有可能發(fā)展為糖尿病，而通過有氧運動增加了HDL的個體表現(xiàn)出糖耐量的提高[13]。脂蛋白對胰島β細胞的功能、凋亡及增殖等方面具有調(diào)節(jié)作用：LDL可通過降低胰島素分泌及限制胰島β細胞增殖發(fā)揮潛在的致糖尿病作用，而HDL可通過抑制胰島β細胞凋亡發(fā)揮潛在的抗糖尿病作用[14]，另外，近期研究發(fā)現(xiàn)，脂肪組織通過分泌Ⅰ型血纖維蛋白溶酶原激活物抑制因子、瘦素、腫瘤壞死因子-α、細胞間黏附因子-1、抵抗素、游離脂肪酸等脂肪細胞因子影響胰島素的敏感性[15]。正常情況下，Apo E參與清除血脂，使其維持在正常的濃度。一旦Apo E的構(gòu)象或濃度發(fā)生了變化，血脂的產(chǎn)生和清除就會失去平衡，從而引發(fā)糖尿病。

1.2 Apo E基因的多態(tài)性與糖尿病的關(guān)系

Apo E2與Ⅲ型高脂蛋白血癥有關(guān)，E3表達的載脂蛋白比E2表達的載脂蛋白對LDL-R的親和力高100倍[6]。使用X-ray檢晶儀，比較Apo E2和Apo E3在與LDL-R連接時的區(qū)別可知，在Apo E3的158位精氨酸與154位天冬氨酸之間存在著一個鹽橋，而在Apo E2的150位精氨酸與154位天冬氨酸之間存在另一種可變化的鹽橋，這減弱了150位精氨酸在與LDL-R相互作用時的功能[16]。

Apo E4有促進動脈粥樣硬化的趨勢，攜帶Apo E4的個體表現(xiàn)出血漿膽固醇和LDL濃度的提高。其可能機制為，Apo E4可優(yōu)先結(jié)合大分子量的脂蛋白顆粒如VLDL和CM殘基[17-18]，因而使CM和VLDL殘基代謝增速，LDL受體下調(diào)，LDL分解代謝減慢，最終導致血漿中CM殘粒、VLDL下降，而LDL升高，血膽固醇濃度升高[19]。

綜上，Apo E2與Apo E4均可通過相關(guān)機制導致血脂代謝異常，進而引發(fā)糖尿病，越來越多的研究也將Apo E基因作為糖尿病的常見候選基因之一[20-26]。在一個以人群為基礎(chǔ)的病歷對照研究中，利用基因相關(guān)的Meta分析得到，Apo E2可能為2型糖尿病的中等危險因子[27]；另外，分別檢測人2型糖尿病組與對照組ε4的基因頻率，測得糖尿病組顯著高于對照組，尤其是ε4/4基因型，這提示ε4/4基因型與2型糖尿病有關(guān)[28]。

2 糖尿病相關(guān)指標對Apo E表達的影響

高血糖、糖基化終末產(chǎn)物積累和胰島素分泌不足都為糖尿病的主要病理特征。為了研究糖尿病對Apo E表達的影響，實驗在高血糖、糖基化修飾與胰島素分泌不足的環(huán)境中培養(yǎng)細胞，模擬糖尿病環(huán)境，最終測量細胞中Apo E轉(zhuǎn)錄和表達的量。

2.1 高血糖對Apo E表達的影響

2010年的一項實驗[29]發(fā)現(xiàn)，高血糖在調(diào)節(jié)脂肪細胞Apo E表達和甘油三酯的代謝和清除中起到抑制作用。將離體脂肪組織暴露于較高濃度的葡萄糖環(huán)境中，后測得Apo E的mRNA水平降低了將近80%，蛋白水平降低了60%左右。在體實驗中，高血糖亦能導致脂肪組織氧化加重，脂肪組織中脂肪細胞和巨噬細胞Apo E表達水平均顯著降低。

無論在離體還是在體環(huán)境中，高血糖都可以增加脂肪組織中內(nèi)源性ROS，通過活化NF-κB轉(zhuǎn)錄復合物來促進脂肪組織和細胞中Apo E基因表達的始動過程[30-34]。而當用抗氧化劑或NF-κB途徑的抑制劑時，高血糖介導的對脂肪細胞Apo E表達的效應(yīng)即被抑制。

2.2 糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGE)對Apo E表達的影響

在長期高血糖在體環(huán)境中，糖基化終末修飾蛋白在組織中積累。分別在糖基化修飾與對照環(huán)境中培養(yǎng)脂肪細胞，結(jié)果顯示，糖基化修飾的環(huán)境可導致Apo E的mRNA及蛋白質(zhì)含量降低接近60%。糖基化終末產(chǎn)物蛋白與包括RAGE在內(nèi)的特定受體相結(jié)合并活化與基因調(diào)節(jié)有關(guān)的第二信使途徑。當使用RAGE抑制性抗體處理時，AGE對Apo E基因表達的抑制作用消失，因此這也說明了RAGE的重要作用[35]。

2.3 胰島素對Apo E表達的影響

實驗使用四氧嘧啶破壞胰島β細胞終止胰島素分泌，模擬1型糖尿病胰島素分泌不足的情況。分別測量糖尿病組與對照組家兔在健康飲食與高脂飲食后，肝臟等組織在穩(wěn)定狀態(tài)下的Apo E轉(zhuǎn)錄水平。最終測得糖尿病組高脂飲食的家兔肝臟、腦和腎上腺Apo E的mRNA表達均有下降。這種改變說明，家兔胰島素分泌的絕對缺乏會下調(diào)Apo E的基因表達[36]。2型糖尿病為特征的高胰島素血癥、胰島素抵抗則會引起Apo E水平的提高[36]。

3 Apo E基因敲除小鼠糖尿病相關(guān)指標的變化

Hofmann等[37]研究Apo E基因敲除小鼠的糖尿病相關(guān)指標后發(fā)現(xiàn)：用健康飲食喂養(yǎng)小鼠的情況下，Apo E基因的缺失可導致血漿甘油三酯和膽固醇的清除率明顯下降，脂肪組織對脂質(zhì)的攝取也減少。同時，基因敲除的小鼠血糖和胰島素的水平低于對照組小鼠，糖耐量有所提高。這說明基因缺失的小鼠胰島素敏感性更強；當用高脂高糖飲食喂養(yǎng)小鼠時，無論在空腹還是餐后狀態(tài)下，兩組小鼠的胰島素水平都有所提高，但Apo E基因缺失小鼠胰島素水平增加明顯少于對照組。雖然兩組小鼠的血糖水平相似，基因缺失小鼠的低胰島素水平仍可說明它們對飲食所致的胰島素抵抗的狀態(tài)更耐受，保持相對較強的胰島素敏感性。

Kawashima等[38-39]的實驗也得到了相似的結(jié)論。他們先使小鼠IGF-1和胰島素受體失活，得到高胰島素血癥，血脂異常，胰島β細胞功能紊亂，并逐漸發(fā)展為高血糖的Ⅱ型糖尿病模型。然后將小鼠的Apo E基因敲除，發(fā)現(xiàn)高胰島素和高血糖的情況有所好轉(zhuǎn)，說明組織脂肪積累的減少會增加對胰島素的敏感性。

4 展 望

糖尿病是一種發(fā)病原因和病理特點很復雜的疾病，還可引起多種并發(fā)癥。然而目前的研究多局限于以糖尿病的某些特征和指標代替糖尿病來研究糖尿病對Apo E表達的影響，以Apo E的mRNA水平反映Apo E的蛋白質(zhì)含量。多種因素的相互作用或多步驟多環(huán)節(jié)的綜合作用可成為影響Apo E基因表達或表達后蛋白質(zhì)的作用效果。某些情況下，mRNA的水平無法代表蛋白質(zhì)的含量和功能。在今后的研究中，除了考慮單一變量的影響外，還應(yīng)該把糖尿病看作一個整體研究。

Apo E可能僅為觸發(fā)糖尿病的眾多因素之一，要想更深入地研究Apo E異常引發(fā)糖尿病的機制，可以將其他因素與其聯(lián)合作用或比較，例如Schreyer等[40]認為，是LDL受體的缺乏，而非Apo E的不足導致了高脂飲食小鼠的肥胖和糖尿病。Apo E的不足只會使小鼠對高血糖和高胰島素的耐受增強。

[1] MAHLEY R W.Apolipoprotein E:cholesterol transport protein with expanding role in cell biology[J].Science，1998，240(4852):622-630．

[2] RALL S C Jr，WEISGRABER K H，MAHLEY R W.Human apolipoprotein E.The complete amino acid sequence[J].J Biol Chem，1982,257(8):4171-4178．

[3] JAWIEN J,NASTALEK P，KORBUT R.Mouse models of experimental atherosclerosis[J].Physiol Pharmacol，2004，55(3):503-517．

[4] HUBACEK J A，ADAMKOVA V，SKODOVA Z.Rare variant of apolipoprotein E(Arg136→Ser)in two normolipidemic individuals[J].Physiol Res，2005，54(5):573-575．

[5] HAUSER P S，NARAYANASWAMI V，RYAN R O.Apolipoprotein E:from lipid transport to neurobiology[J].Prog Lipid Res，2011，50(1):62-74．

[6] SIEST G，PILLOT T，REGIS-BAILLY A，et al.Apolipoprotein E:an important gene and protein to follow in laboratory medicine[J].Clin Chem，1995，41(8 Pt 1):1068-1086．

[7] EIJI M，KAUZUKO K，MASAKO T，et al.Oxidative modification of low-density lipoprotein and immune regulation of atherosclerosis[J].Prog Lipid Res，2006，45(6):466-486．

[8] SEGALL M L，DHANASEKARAN P，BALDWIN F，et al.Influence of apoE domain structure and polymorphism on the kinetics of phospholipid vesicle solubilization[J].Lipid Res，2002，43(10):1688-1700．

[9] SEGREST J P，JONES M K，DELOOF H，et al.The amphipathic helix in the exchangeable apolipoproteins:a review of secondary structure and function[J].Lipid Res，1992，33(2):141-166．

[10] SCHELLENBERG G D，BOEHNKE M，WIJSMAN E M.Genetic association and linkage analysis of the apolipoprotein CII locus and familial Alzheimer’s disease[J].Ann Neurol，1992，31(2):223-227．

[11] VERGES B.Lipid modification in type 2 diabetes:the role of LDL and HDL[J].Fundam Clin Pharmacol，2009，23(6):681-685．

[12] von ECKARDSTEIN A，SCHULTE H，ASSMANN G.Risk for diabetes mellitus in middle-aged Caucasian male participants of the PROCAM study:implications for the definition of impaired fasting glucose by the American Diabetes Association.Prospective Cardiovascular Munster[J].Clin Endocrinol Metab，2000，85(9):3101-3108．

[13] KRAUS W E，HOUMARD J A，DUSCHA B D，et al.Effects of the amount and intensity of exercise on plasmalipoproteins[J].N Engl J Med，2002，347(19):1483-1492．

[14] RüTTI S，EHSES J A，SIBLER R A,et al.Low-and high-density lipoproteins modulate function，apoptosis，and proliferation of primary human and murine pancreatic β-cells[J].Endocrinology，2009，150(10):4521-4530．

[15] 龐翠軍，肖常青，蘇宏業(yè).2 型糖尿病患者游離脂肪酸水平及其影響因素分析[J].廣西醫(yī)科大學學報，2009，26(5):711-713．

[16] LALAZAR A，WEISGRABER K H，RALL S C Jr，et al.Site-specific mutagenesis of human apolipoprotein E.Receptor binding activity of variants with single amino acid substitutions[J].Biol Chem，1988，263(8):3542-3545.

[17] GREGG R E，ZECH L A，SCHAEFER E J.Abnormalinvivometabolism of apolipoprotein E4 in humans[J].Clin Invest，1986，78(3):815-821．

[18] WEISGRABER K H.Apolipoprotein E distribution among human plasma lipoproteins:role of the cysteine-arginine interchange at residue 112[J].Lipid Res，1990，31(8):1503-1511．

[19] ANIL E.The impact of EPA and DHA on blood lipids and lipoprotein metabolism:influence of apoE genotype[J].Proc Nutr Soc，2007，66(1):60-68．

[20] KAMRUECHA W，CHANSIRIKARNJANA S，NIMKULRAT E，et al.Rapid detection of apolipoprotein E genotypes in Alzheimer’s disease using polymerase chain reaction-single strand conformation polymorphism[J].Southeast Asian J Trop Med Public Health，2006，37(4):793-797．

[21] TAVINT HARAN S,LIM S C,CHAN Y H，et al.Apolipoprotein E genotype affects the response to lipid lowering therapy in Chinese patients with type 2 diabetes mellitus[J].Diabetes Obes Metab，2007，9(1):81-86．

[22] MAITLAND van der Zee A H,JUKEMA J W，ZWINDERMAN A H,et al.Apolipoprotein E polymorphism and response to pravastatin in men with coronary artery disease(REGRESS)[J].Acta Cardiol,2006,61(3):327-331．

[23] HUMPHRIES S E，COOPER J A,TALMUD P J，et al.Candidate gene genotypes,along with conventional risk factor assessment,improve estimation of coronary heart disease risk in healthy UK men[J].Clin Chem，2007，53(1):8-16．

[24] FRIKKE-SCHMIDT R，SING C F，NORDESTGAARD B G，et al.Subsets of SNPs define rare genotype classes that predict ischemic heart disease[J].Hum Genet，2007,120(6):865-877．

[25] AKANJI A O，SURESH C G，F(xiàn)ATANIA H R，et al.Associations of apolipoprotein E polymorphism with low-density lipoprotein size and subfraction profiles in Arab patients with coronary heart disease[J].Metabolism，2007，56(4):484-490．

[26] SEIP R L,OTVOS J,BILBIE C，et al.The effect of apolipoprotein E genotype on serum lipoprotein particle response to exercise[J].Atherosclerosis，2006,188(1):126-133．

[27] ANTHOPOULOS P G，HAMODRAKAS S J，BAGOS P G.Apolipoprotein E polymorphisms and type 2 diabetes:a meta-analysis of 30 studies including 5 423 cases and 8 197 controls[J].Mol Genet Metab，2010，100(3):283-291．

[28] 熊燏，周新，劉松梅.載脂蛋白E基因多態(tài)性與2 型糖尿病的關(guān)系[J].微循環(huán)學雜志，2008，18(2)：28-29．

[29] ESPIRITU D J，HUANG Z H，ZHAO Y,et al.Hyperglycemia and advanced glycosylation end products suppress adipocyte apoE expression:implications for adipocyte triglyceride metabolism[J].Am J Physiol Endocrinol Metab，2010，299(4):E615-E623．

[30] BHATTACHARYYA S，DUDEJA P K，TOBACMAN J K.Carrageenan-induced NF-κB activation depends on distinct pathways mediated by reactive oxygen species and Hsp27 or by Bcl10[J].Biochim Biophys Acta，2008，1780(7-8):973-982.

[31] ESPIRITU D J，MAZZONE T.Oxidative stress regulates adipocyte apolipoprotein E and suppresses its expression in obesity[J].Diabetes，2008，57(11):2992-2998．

[32] YEOP HAN C，KARGI A Y，OMER M，et al.Differential effect of saturated and unsaturated free fatty acids on the generation of monocyte adhesion and chemotactic factors by adipocytes:dissociation of adipocyte hypertrophy from inflammation[J].Diabetes，2010，59(2):386-396．

[33] LIN Y，BERG A H，IYANGAR P，et al.The hyperglycemia-induced inflammatory response in adipocytes:the role of reactive oxygen species[J].Biol Chem，2005，280(6):4617-4626．

[34] TAKAHASHI M，SUZUKI E，TAKEDA R，et al.Angiotensin II and tumor necrosis factor-alpha synergistically promote monocyte chemoattractant protein-1 expression:roles of NF-κB，p38，and reactive oxygen species[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol，2008，294(6):H2879-H2888．

[35] CATHERINE M，LENICH A V，CHOBANIAN P B.Effect of dietary cholesterol and alloxan-diabetes on tissue cholesterol and apolipoprotein E mRNA levels in the rabbit[J].Lipid Res，1991，32(3):431-438．

[36] BACH-NGOHOU K，OUGUERRAM K，NAZIH H,et al.Apolipoprotein E kinetics:influence of insulin resistance and type 2 diabetes[J].Int J Obes Relat Metab Disord,2002，26(11):1451-1458．

[37] HOFMANN S M，PEREZ-TILVE D，GREER T M.Defective lipid delivery modulates glucose tolerance and metabolic response to diet in apolipoprotein E-deficient mice[J].Diabetes，2008，57(1):5-12．

[38] KAWASHIMA Y，CHEN J，SUN H.Apolipoprotein E deficiency abrogates insulin resistance in a mouse model of type 2 diabetes mellitus[J].Diabetologia，2009，52(7):1434-1441．

[39] GAO J，KATAGIRI H，ISHIGAKI Y，et al.Involvement of apolipoprotein E in excess fat accumulation and insulin resistance[J].Diabetes，2007，56(1):24-33．

[40] SCHREYER S A，VICK C，LYSTIG T C.LDL receptor but not apolipoprotein E deficiency increases diet-induced obesity and diabetes in mice[J].Am J Physiol Endocrinol Metab，2002，282(1):E207-E214．