運(yùn)動(dòng)防治肥胖的分子機(jī)制

彭 茜，安振梅

(四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院華西醫(yī)院內(nèi)分泌與代謝病學(xué)科，四川成都610041)

大量的流行病學(xué)研究表明，少動(dòng)的生活方式可誘導(dǎo)肥胖等多種代謝性疾病的發(fā)生。運(yùn)動(dòng)則被推薦為防治肥胖等代謝性疾病的基礎(chǔ)治療之一。骨骼肌約占人體體質(zhì)量的40%，與運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。近年來(lái)，骨骼肌被證實(shí)同樣也是一種內(nèi)分泌器官，分泌著肌肉生長(zhǎng)抑制素、IL-6、IL-15和 irisin等因子［1-2］。運(yùn)動(dòng)首先誘導(dǎo)骨骼肌表達(dá)PGC-1α，后者可促進(jìn)FNDC5的表達(dá)，隨后FNDC5在體內(nèi)被剪切轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新的形式irisin。irisin從骨骼肌合成分泌后，通過(guò)血液循環(huán)作用于白色脂肪細(xì)胞，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹纸獯x脂肪特征的棕色脂肪細(xì)胞，脂肪分解代謝產(chǎn)生的能量以熱的形式散發(fā)，從而發(fā)揮減肥作用［2］。

1 PGC-1α的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能

研究發(fā)現(xiàn) PPARγ共激活因子1α(peroxisome proliferative activated receptor-coactivator-1，PGC-1 α)是體內(nèi)能量代謝調(diào)控的關(guān)鍵性蛋白質(zhì)，參與調(diào)控適應(yīng)性產(chǎn)熱、線粒體生成、抗氧化、血管生成、能量代謝、胰島素敏感性、骨骼肌轉(zhuǎn)變和irisin分泌等生物學(xué)過(guò)程［2］。

PGC-1α基因位于小鼠5號(hào)染色體，編碼的蛋白質(zhì)含有797個(gè)氨基酸殘基。人PGC-1α基因定位于4號(hào)染色體，編碼的蛋白質(zhì)含有798個(gè)氨基酸殘基。兩者蛋白質(zhì)序列的同源性為95%。PGC-1α蛋白質(zhì)N端(1～230位氨基酸)含有轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域具有保守性氨基酸序列，即 LXXLL或者LLXXL基序(L為亮氨酸，X為其他氨基酸)，通過(guò)該位點(diǎn)PGC-1α與轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor，TF)和核受體(nuclear receptor，NR)結(jié)合并輔助激活下游基因的轉(zhuǎn)錄。PGC-1α的N端(1～230位氨基酸)之后橫跨大約200個(gè)氨基酸的部位是PGC-1α的活性調(diào)控區(qū)域，通過(guò)對(duì)該區(qū)域的共價(jià)修飾對(duì)PGC-1α的活性發(fā)揮調(diào)控作用。PGC-1α的C端具有絲氨酸/精氨酸較豐富的區(qū)域(arginine-serine-rich domain，RS)和RNA識(shí)別結(jié)構(gòu)域(RNA recognition motif，RRM)，現(xiàn)已被證實(shí)該部位可以調(diào)控RNA轉(zhuǎn)錄及加工［3］。因此，PGC-1α可以作為一個(gè)平臺(tái)，通過(guò)與核受體結(jié)合再募集其他輔激活因子，進(jìn)而調(diào)控下游靶基因的轉(zhuǎn)錄，最終實(shí)現(xiàn)不同的生理功能。

骨骼肌肌型可以分為:Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb和Ⅱx型。前兩類肌型富含線粒體和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4(glucose transporter type 4，GLUT4)，通過(guò)脂肪酸β氧化提供能量，負(fù)責(zé)肌肉的長(zhǎng)期耐力運(yùn)動(dòng)。而后兩類肌型所含線粒體和GLUT4較少，通過(guò)糖酵解提供快速少量的能量，負(fù)責(zé)肌肉的急劇運(yùn)動(dòng)。PGC-1α最初被發(fā)現(xiàn)存在于Ⅰ和Ⅱa型肌纖維中，運(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)Ⅱb型肌纖維中PGC-1α的表達(dá)，并促進(jìn)該肌纖維向Ⅰ和Ⅱa型肌纖維的轉(zhuǎn)變［4］。

運(yùn)動(dòng)鍛煉可增加PGC-1α的基因表達(dá)，與對(duì)照組比較，提高運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度可升高2．5倍［5］。運(yùn)行誘導(dǎo)PGC-1α表達(dá)水平提高和活性的增強(qiáng)是通過(guò)多條信號(hào)途徑實(shí)現(xiàn)的。其中以Ca2+依賴的信號(hào)途徑通路為主，運(yùn)動(dòng)促進(jìn)肌漿網(wǎng)中鈣的釋放，通過(guò)鈣調(diào)磷酸酶(calcineurin A，CnA)和鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶IV(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase IV，CaMKIV)，上調(diào) PGC-1α 的表達(dá)［6］。實(shí)驗(yàn)已證實(shí)Ca2+通路和P38 MAPK通路是運(yùn)動(dòng)引起PGC-1α表達(dá)所必須的，且CnA通路控制肌型轉(zhuǎn)變，P38 MAPK通路則控制著耐力運(yùn)動(dòng)后的線粒體生成和血管生成［7］。

2 FNDC5/irisin的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能

FNDC5又稱Ⅲ型纖連蛋白重復(fù)包含蛋白2(fibronectin typeⅢ repeat containing protein 2，F(xiàn)rcp2)或過(guò)氧化物酶體蛋白(peroxisomal protein，PeP)。小鼠的FNDC5基因位于第4號(hào)染色體上，基因長(zhǎng)度約為5．1 kb，其中含有6個(gè)外顯子。FNDC5的轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控區(qū)位于第一個(gè)外顯子;第1和第2外顯子共同表達(dá)信號(hào)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。小鼠的FNDC5蛋白由209個(gè)氨基酸組成，分子質(zhì)量約為23 ku，其中1～30氨基酸是信號(hào)肽;31～114氨基酸為Ⅲ型纖連蛋白組件;151～172號(hào)氨基酸為疏水的跨膜結(jié)構(gòu)域。FNDC5在切除N端信號(hào)肽后，在GLU142處被蛋白水解酶裂解，形成一段約為110個(gè)氨基酸的多肽片段，即irisin。irisin的命名源于希臘神話中彩虹女神Iris的名字，暗喻其像Iris一樣，作為骨骼肌的使者，傳遞骨骼肌的信號(hào)并溝通骨骼肌與外周組織的關(guān)系，其序列在種屬間高度保守，人和小鼠的irisin氨基酸序列的同源性為100%［2］。

通過(guò)基因芯片技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)小鼠骨骼肌中有5種 PGC-1α依賴的分泌蛋白被上調(diào)，F(xiàn)NDC5就是其中之一［2］。當(dāng)骨骼肌特異性敲除基因的PGC-1α小鼠體內(nèi)，F(xiàn)NDC5基因的表達(dá)會(huì)減少。提示PGC-1α可上調(diào)FNDC5基因的表達(dá)。

研究顯示，長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌中FNDC5的表達(dá)有顯著的促進(jìn)作用。在小鼠，一次急性運(yùn)動(dòng)后5 h，骨骼肌FNDC5的mRNA表達(dá)并沒(méi)有改變;但3周的自由跑輪運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后12 h，小鼠骨骼肌中FNDC5的mRNA表達(dá)顯著上調(diào)，血漿中irisin的水平也顯著升高。同樣，在以60歲以上的肥胖人群為研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)中也可發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象［8］。

傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，成人不具有棕色脂肪組織。但隨著核醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像(PET)的應(yīng)用顯示成人擁有棕色脂肪組織(尤其在寒冷低溫條件下)，其主要分布于頸下、鎖骨上和脊柱旁等區(qū)域［9］。且棕色脂肪組織的產(chǎn)熱能力和機(jī)體的白色脂肪組織水平呈反比，即棕色脂肪組織的產(chǎn)熱能力越強(qiáng)，機(jī)體的白色脂肪組織水平越低，越容易抵抗肥胖［10］。

最近，一種新的脂肪組織-褐色脂肪組織被分離提出，它富含線粒體，通過(guò)解耦聯(lián)蛋白(uncoupling protein1，UCP1，它是棕色脂肪和白色脂肪的一個(gè)重要區(qū)別［11］)解偶聯(lián)呼吸，前列腺素(PG)PGE2/PGI2促其生成，可消耗能量、維持體溫［12］。

irisin最大的生物學(xué)功能就是促進(jìn)UCP1的表達(dá)，誘導(dǎo)脂肪小滴形成，增加線粒體密度，增加脂肪細(xì)胞氧耗，導(dǎo)致脂肪細(xì)胞向褐色脂肪細(xì)胞表型轉(zhuǎn)變，又叫做白色脂肪“褐色化”:在皮下脂肪細(xì)胞中，F(xiàn)NDC5可以在納摩爾濃度水平下，將UCP1 mRNA的表達(dá)水平增加7倍，免疫組化結(jié)果提示UCP1陽(yáng)性脂肪細(xì)胞顯著增多，并伴有大量的脂肪小滴分布，電子顯微鏡結(jié)果表明FNDC5處理的細(xì)胞線粒體密度顯著增加，線粒體基因表達(dá)增強(qiáng)，呈現(xiàn)褐色脂肪細(xì)胞表型［13］;體外研究顯示［2］:給野生型 BALB/c小鼠靜脈注射整合了FNDC5基因的腺病毒載體(含1 010個(gè)病毒顆粒)，結(jié)果顯示:小鼠血漿中irisin的水平較注射前升高了3倍，在不影響其活動(dòng)和進(jìn)食的情況下，能量消耗了增加了100%，且小鼠未出現(xiàn)任何不良反應(yīng);注射腺病毒載體10 d后，其皮下脂肪中UCP1 mRNA的表達(dá)增加了13倍，PGC-1α mRNA的表達(dá)也有少量增加，提示血漿中irisin水平適當(dāng)提高后可誘導(dǎo)體內(nèi)白色脂肪具有棕色脂肪細(xì)胞特征。在游泳運(yùn)動(dòng)7 d的大鼠，腹膜給予50μg的FNDC5抗體后，運(yùn)動(dòng)上調(diào)的皮下脂肪組織UCP1則被抑制。

循環(huán)中irisin濃度與肌肉質(zhì)量密切相關(guān)［14］，研究缺乏肌肉生長(zhǎng)抑制素的小鼠顯示伴隨著肌肉質(zhì)量增加的同時(shí)，肌肉中PGC-1α和FNDC5的表達(dá)、血中irisin濃度、白色脂肪棕色化也同樣增加［15］。上述研究表明通過(guò)運(yùn)動(dòng)增加肌肉質(zhì)量將從分子水平改善人體的健康。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代人的生活方式缺乏運(yùn)動(dòng)，因此，對(duì)于那些不愿運(yùn)動(dòng)或不能參加運(yùn)動(dòng)的人群來(lái)說(shuō)，闡明運(yùn)動(dòng)作用人體的機(jī)制、開(kāi)發(fā)模擬運(yùn)動(dòng)效果的藥物顯得更為重要。正如前段所述，運(yùn)動(dòng)通過(guò)PGC-1α-FNDC5/irisin-UCP1通路調(diào)節(jié)著機(jī)體的代謝。作用于以上通路中任一環(huán)節(jié)的藥物都將改變機(jī)體的代謝方向。目前許多藥物正處于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段，如肝X受體激動(dòng)劑 T0901317，研究發(fā)現(xiàn)每周 1次腹腔注射T0901317治療高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠后，阻斷了肥胖的進(jìn)展及與肥胖相關(guān)的胰島素抵抗及糖耐量調(diào)節(jié)受損，實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析這些肝X受體激動(dòng)劑治療的小鼠發(fā)現(xiàn)，UCP1和PGC-1α等與能量代謝有關(guān)基因的mRNA水平顯著升高［16］。或許像胰島素的發(fā)現(xiàn)及可人工生產(chǎn)一樣，外源性的irisin將會(huì)給肥胖等代謝性疾病的治療帶來(lái)新的希望。

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