骨骼肌細胞外基質(zhì)重塑與胰島素抵抗的研究進展

楊亞南，呂君君，王柯，劉冬梅

骨骼肌細胞外基質(zhì)重塑與胰島素抵抗的研究進展

楊亞南，呂君君，王柯，劉冬梅

骨骼肌細胞外基質(zhì)(ECM)是肌細胞生存和活動的微環(huán)境，其組成成分和結(jié)構(gòu)直接影響肌細胞的活動和功能。在胰島素抵抗的病理過程中，骨骼肌ECM發(fā)生病理性重塑，如膠原蛋白沉積、透明質(zhì)酸增多、ECM膜蛋白整合素信號通路激活、基質(zhì)金屬蛋白酶和基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑平衡失調(diào)。這些病理性變化都會導致胰島素敏感性下降。

胰島素抵抗；細胞外基質(zhì)；骨骼??；纖維化；整合素；綜述

[本文著錄格式]楊亞南，呂君君，王柯，等.骨骼肌細胞外基質(zhì)重塑與胰島素抵抗的研究進展[J].中國康復理論與實踐, 2017,23(4)：398-401.

CITED AS：Yang YN,Lü JJ,Wang K,et al.Remodeling of skeletal muscle extracellular matrix and insulin resistance(review)[J]. Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(4)：398-401.

胰島素抵抗(insulin resistance,IR)是指靶器官對正常濃度胰島素的生理利用度下降，主要發(fā)生在骨骼肌、脂肪、肝臟等外周組織，是導致2型糖尿病及其并發(fā)癥的主要因素[1]。骨骼肌約占全身質(zhì)量的40%，在胰島素介導葡萄糖吸收過程中起重要作用[2]。骨骼肌是餐后胰島素介導葡萄糖攝取的主要位點，在正常血糖高胰島素狀態(tài)下，80%的血糖攝取發(fā)生在骨骼肌[2]。骨骼肌IR是機體系統(tǒng)出現(xiàn)IR的主要原因。相應地，改善骨骼肌IR可以提高機體的糖代謝水平。

關于肥胖相關的骨骼肌IR發(fā)病的生物學機制，已有許多研究。這些研究支持如下理論：①骨骼肌線粒體功能缺陷；②骨骼肌脂肪代謝有害產(chǎn)物堆積；③肥胖引起的慢性低水平炎性反應。近年來研究表明，IR與骨骼肌細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)重塑之間存在密切聯(lián)系。在IR病理過程中，ECM發(fā)生病理性重塑，如膠原蛋白沉積、透明質(zhì)酸增多等[3-4]。通過藥物或運動干預改善ECM病理性重塑，機體胰島素敏感性提高[5-6]。

1 骨骼肌ECM

ECM是骨骼肌的主要組成部分，是肌細胞生存和活動的微環(huán)境，其組成成分和結(jié)構(gòu)的改變(即性狀改變)直接影響肌細胞的活動和功能[7]。ECM主要成分包括膠原蛋白、蛋白聚糖、鏈接蛋白、層粘連蛋白，以及在ECM生成和分解動態(tài)平衡中起重要作用的基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)和基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑(tissue inhibitors of metalloproteinases,TIMPs)。ECM各成分相互作用，對ECM的結(jié)構(gòu)和功能有重要的調(diào)節(jié)作用。ECM通過基底膜上的鏈接蛋白與細胞內(nèi)骨架產(chǎn)生聯(lián)系，并對細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導實施調(diào)控[7-8]。

2膠原蛋白

膠原蛋白是骨骼肌ECM最豐富的結(jié)構(gòu)成分，不僅支持組織結(jié)構(gòu)，而且為肌細胞生長、分化和形變提供黏附和遷移的結(jié)構(gòu)基礎。骨骼肌膠原蛋白主要(超過90%)包括三種亞型，即膠原蛋白Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。Ⅰ型和Ⅲ型膠原蛋白屬于纖維類膠原，Ⅳ型膠原蛋白是基底膜最豐富的結(jié)構(gòu)成分[5]。在IR的病理過程中，膠原蛋白沉積是骨骼肌ECM病變的主要特征[9]。

研究發(fā)現(xiàn)，肥胖和/或高脂飲食不僅抑制胰島素信號通路，而且破壞骨骼肌的結(jié)構(gòu)和功能，包括纖維化。纖維化主要是ECM的過度沉積，而膠原蛋白是最主要的沉積蛋白[10]。人和動物肌肉IR病理過程中，膠原蛋白發(fā)生沉積[5,11]。Kang等[5]通過基因手段使線粒體靶向過氧化氫酶過度表達，或通過藥理學手段用磷酸二酯酶5抑制劑西地那非治療高脂喂養(yǎng)所致的IR小鼠，均發(fā)現(xiàn)伴隨IR的改善，ECM膠原蛋白表達下降。這些研究表明膠原蛋白沉積與IR之間存在聯(lián)系。

IR與骨骼肌ECM膠原蛋白沉積之間的內(nèi)在機制，目前還不明了，可能與巨噬細胞有關。研究發(fā)現(xiàn)[11]，肥胖患者骨骼肌巨噬細胞增加，巨噬細胞可分泌轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)，TGFβ1激活或使Smad3磷酸化，刺激Ⅰ型膠原蛋白表達。與正常人相比，肥胖患者骨骼肌活檢Smad3磷酸化和總蛋白水平升高[12]。敲除小鼠Smad3基因可以減少骨骼肌纖維化和IR[13]。Pincu等發(fā)現(xiàn)，12周有氧運動可以降低高脂膳食引起小鼠骨骼肌巨噬細胞的增加，同時伴隨TGFβ1-Smad3信號通路減弱和膠原蛋白沉積降低[11]。

3 透明質(zhì)酸

透明質(zhì)酸是大分子非支鏈陰離子糖胺聚糖，是ECM的重要成分，具有支持細胞和促進細胞遷移等的多重功能[3]。

透明質(zhì)酸在IR的病理過程中發(fā)揮重要作用。透明質(zhì)酸沉積增加葡萄糖和胰島素的擴散距離，阻礙底物向肌肉組織傳遞，同時損害新生血管生長和功能。

ECM與內(nèi)皮細胞間存在密切聯(lián)系，血流量和毛細血管的募集對血糖和胰島素向肌肉正確傳遞起關鍵作用[14]。肌肉血流量降低與IR相關，肌肉血管密度與外周胰島素作用呈正相關[15]。研究發(fā)現(xiàn)[14]，在IR動物骨骼肌、主動脈和腎臟，以及2型糖尿病患者血液中，透明質(zhì)酸含量增多。骨骼肌透明質(zhì)酸含量增多與肥胖狀態(tài)骨骼肌IR有關。Kang等[3]應用聚乙二醇重組變體PH20(PEGPH20)降解骨骼肌ECM透明質(zhì)酸，肌肉葡萄糖攝取提高，同時改善肝臟和脂肪等組織IR。PEGPH20降解透明質(zhì)酸，增加高脂喂養(yǎng)小鼠的血管生成和內(nèi)皮細胞增殖。毛細血管網(wǎng)的擴增可以增加葡萄糖和胰島素向骨骼肌細胞轉(zhuǎn)移，同時降低組織炎癥，提高胰島素敏感性[3]。

遺傳關聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，CD44(透明質(zhì)酸的主要膜受體)與2型糖尿病之間存在密切聯(lián)系[16]。CD44是細胞膜糖蛋白，參與細胞間相互作用、細胞黏附、遷移、血管增生調(diào)控和內(nèi)皮細胞增殖[17]。慢性炎癥反應在IR的病理過程中發(fā)揮重要作用[18]。通過特異性基因敲除CD44或抗CD44抗體處理小鼠，可緩解高脂喂養(yǎng)小鼠引起的IR和脂肪組織炎癥[16]。透明質(zhì)酸與CD44相互作用可能通過影響內(nèi)皮或者血管功能來調(diào)節(jié)組織胰島素敏感性。動脈壁透明質(zhì)酸水平增加，被公認為糖尿病大血管病變的特征[17]。

4 整合素

ECM重塑與膳食引起的代謝組織IR相關。整合素是ECM的膜受體，參與胰島素作用的調(diào)節(jié)[14]。整合素是由α和β亞基構(gòu)成的異質(zhì)二聚體。目前發(fā)現(xiàn)的24種哺乳動物整合素只有4種結(jié)合膠原蛋白，它們共享β1亞基，分別與α1、α2、α10、α11形成二聚體[5]。整合素在介導細胞內(nèi)外信號傳遞方面起重要作用。如含β1亞基的整合素受體參與胰島素刺激胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)的磷酸化，以及IRS相關磷脂酰肌醇3激酶和蛋白激酶B/Akt的活性。特異性敲除肌肉整合素β1基因可引起普通飼料喂養(yǎng)小鼠全身胰島素敏感性下降[19]。

研究發(fā)現(xiàn)[3-5]，整合素α2β1在IR的病理過程中發(fā)揮重要作用。整合素相關激酶(integrin-linked kinase,ILK)是ILKPINCH-parvin(IPP)復合物的核心成分[20]。IPP復合物作為整合素下游信號傳導的樞紐，通過與整合素α2β1胞漿結(jié)構(gòu)域結(jié)合，參與許多信號通路的調(diào)節(jié)[21]。Kang等通過特異性敲除骨骼肌ILK，發(fā)現(xiàn)可以改善高脂誘導的骨骼肌IR，同時伴隨Akt磷酸化和骨骼肌毛細血管的增加[20]。

黏著斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)是細胞膜非受體絡氨酸激酶，整合素下游信號分子，同時作為磷酸肌醇3激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)通路的激活劑，在外周組織胰島素信號傳導方面起重要作用[22]。FAK可以調(diào)節(jié)肝組織和骨骼肌中胰島素刺激的糖原合成和葡萄糖轉(zhuǎn)運[19]。Viglino等[23]發(fā)現(xiàn)，藥物或siRNA抑制FAK，可以降低游離脂肪酸刺激心肌細胞葡萄糖的轉(zhuǎn)運，重新激活FAK可以緩解葡萄糖轉(zhuǎn)運。

5 MMPs

MMPs屬于鋅依賴蛋白酶家族，負責幾乎所有ECM蛋白的降解[24]。由于潛在的廣泛蛋白降解能力，在生理或IR等病理過程中，MMPs在調(diào)節(jié)ECM周轉(zhuǎn)和重塑、血管生成等方面起重要作用[4]。

MMPs的失調(diào)與肥胖和糖尿病病理過程有關。MMP-2和MMP-9屬于膠原蛋白酶，是主要的全身循環(huán)MMPs，特異性降解膠原蛋白Ⅳ。肥胖和糖尿病患者MMP-2和MMP-9濃度升高。MMPs過度激活造成胰島素受體胞外結(jié)構(gòu)域和其他受體蛋白水解，從而導致胰島素功能受損[25-26]。

Tinahones等[27]發(fā)現(xiàn)，在病態(tài)肥胖狀態(tài)下，脂肪組織MMP-9基因表達與HOMA穩(wěn)態(tài)模型評估指數(shù)呈正相關。在高脂膳食引起IR的小鼠骨骼肌中，MMP-9活性下降；基因敲除MMP-9可以加劇高脂小鼠的IR[4]。MMP-9活性下降導致肌肉IR，一方面與膠原蛋白沉積有關，另一方面也與毛細血管合成減少相關。毛細血管密度受損是IR和2型糖尿病的發(fā)病機理之一，而MMP-9可以通過刺激血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的產(chǎn)生和分泌，調(diào)節(jié)血管合成[28-29]。

盡管MMP-2和MMP-9底物特異性相似，表達和轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式卻不同，參與的生物過程也不同。MMP-2可以被MMP-14激活，在血管形成過程中切割基底膜和ECM，為內(nèi)皮幼芽遷移提供路徑，形成新的毛細血管。MMP-2是否也通過調(diào)節(jié)毛細血管形成影響骨骼肌的糖代謝，還有待于進一步研究闡明[30]。

TIMPs通過直接結(jié)合MMP活性位點抑制MMP的活性，包括TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3、TIMP-4四種類型[31]。代謝綜合征和糖尿病患者血中TIMP-1和TIMP-2水平升高[32]；基因敲除TIMP-2加劇高脂膳食誘導的肥胖和糖尿病，損害MMP-14(激活MMP-2)活性[33-34]。肥胖小鼠脂肪組織TIMP-3表達降低，基因敲除TIMP-3引起脂肪肝和脂肪組織炎癥[35]。組織TIMPs活性增加對代謝起保護作用，但存在組織和環(huán)境依賴性。TIMPs是MMPs的重要內(nèi)源性抑制劑，可應對ECM的過度降解。TIMPs活性增加的有利影響是否完全基于抑制MMPs的活性，增加ECM的穩(wěn)定，有待進一步研究[24]。

6 小結(jié)

骨骼肌ECM重塑在IR和2型糖尿病的病理過程中發(fā)揮重要作用。IR病理過程中炎癥反應增多和促纖維化信號通路TGF-Smad3激活，導致膠原蛋白、透明質(zhì)酸等成分沉積，阻礙血管生成，損害內(nèi)皮細胞，進而對葡萄糖、胰島素等物質(zhì)向肌細胞傳遞形成物理障礙，影響肌細胞葡萄糖攝取。ECM成分改變引起整合素下游信號通路激活，并影響胰島素功能，從而引起骨骼肌IR。MMPs和TIMPs失調(diào)使胰島素受體胞外結(jié)構(gòu)域和其他受體蛋白水解，從而導致胰島素功能受損。

總之，ECM在調(diào)節(jié)胰島素作用方面起重要作用。但其作用機制還需要進一步研究。全面認識ECM在調(diào)節(jié)胰島素作用方面的作用，將為糖尿病的預防和治療提供新的契機。

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Remodeling of Skeletal Muscle Extracellular Matrix and Insulin Resistance(review)

YANG Ya-nan,Lü Jun-jun,WANG Ke,LIU Dong-mei
School of Kinesiology,Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China

LIU Dong-mei.E-mail：liudongmei@sus.edu.cn

Skeletal muscle extracellular matrix(ECM)is the microenvironment for muscle cells to survive and function.Changes in ECM components and structure directly affect the activity and function of muscle cells.Pathological remodeling occurs to skeletal muscle ECM in insulin resistance,including collagen deposition,hyaluronan accumulation,activation of membrane protein integrin signaling pathway,and the imbalance of matrix metalloproteinases and tissue inhibitors of metalloproteinases,while all those would impair the tissue insulin sensitivity.

insulin resistance;extracellular matrix;skeletal muscle;fibrosis;integrin;review

R587

A

1006-9771(2017)04-0398-04

2016-11-10

2017-01-23)

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.04.007

1.國家自然科學基金項目(No.31470060)；2.上海體育學院研究生教育創(chuàng)新基金項目(No.yjscx2015070)。

上海體育學院運動科學學院，上海市200438。作者簡介：楊亞南(1989-)，男，漢族，河南汝州市人，碩士研究生，主要研究方向：慢性病與骨骼肌細胞外基質(zhì)重塑。通訊作者：劉冬梅(1975-)，女，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，博士，副教授，碩士研究生導師，主要研究方向：人體運動生理與慢性病的預防和治療。E-mail：liudongmei@sus.edu.cn。