鈉依賴性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的日糧調(diào)控

臧海軍，鄧 敦,2，李成良

（1.唐人神集團(tuán)股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長(zhǎng)沙 410125；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）

葡萄糖是真核生物主要的能量物質(zhì)，是機(jī)體能量的重要來(lái)源，在機(jī)體代謝和分子穩(wěn)衡機(jī)制中發(fā)揮中心作用。葡萄糖主要是通過(guò)腸道被動(dòng)物吸收，但是真核生物的質(zhì)膜是脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)，對(duì)親水性的物質(zhì)具有不通透性。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)刷狀緣及側(cè)基底膜囊泡的深入研究，證實(shí)了葡萄糖的吸收主要是通過(guò)小腸刷狀緣鈉葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)載體SGLT跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)完成的，而SGLT1是介導(dǎo)葡萄糖主動(dòng)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)吸收的最早被確定和克隆的載體之一，日糧中碳水化合物、鈉、鎘等離子都能夠調(diào)控SGLT1。

1 SGLT1的結(jié)構(gòu)、分布和功能

1.1 SGLT1的結(jié)構(gòu)

SGLT1蛋白的編碼基因有484～718個(gè)氨基酸殘基，其一級(jí)結(jié)構(gòu)即氨基酸的序列具有種間差異性（鼠類和人分別有665和664個(gè)氨基酸殘基）。該基因序列具有高度相似性，基因位于22號(hào)染色體長(zhǎng)臂上（22q13.1），有15個(gè)外顯子。

SGLT1的二級(jí)結(jié)構(gòu)是由14個(gè)跨膜的α螺旋（MS1-MS14）組成。其N-端位于TMS1的細(xì)胞外，C-端位于TMS14的胞質(zhì)邊緣，靠近C末端有5個(gè)連續(xù)的跨膜α螺旋，是葡萄糖結(jié)合與轉(zhuǎn)運(yùn)的結(jié)構(gòu)域。兩個(gè)疏水區(qū)分別位于TMS4和TMS12跨膜區(qū)。SGLT1含有一定數(shù)量的PKA和PKC的磷酸化位點(diǎn)：在鼠和人上有5個(gè)PKC磷酸化位點(diǎn)，在兔上有4個(gè)，在兔和人上有一個(gè)PKA磷酸化位點(diǎn)，而在鼠上則沒(méi)有[1]。

1.2 SGLT1的分布和功能

SGLT1主要分布于小腸和腎單位近端小管，在小腸吸收葡萄糖過(guò)程中發(fā)揮重要作用。作為與鈉離子具有高親和力（鈉/葡萄糖=2）的低轉(zhuǎn)運(yùn)能力的鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)載體，在成熟的小腸上皮細(xì)胞的刷狀緣膜表達(dá)，主要作用是從腸腔中吸收D-葡萄糖和D-半乳糖。腎的近球小管的上皮細(xì)胞的基頂膜也存在SGLT1，其功能是從腎小球?yàn)V液中重吸收D-葡萄糖。之后不斷有研究者又分別在羊的瘤胃上皮細(xì)胞、泌乳牛的瘤胃和瓣胃、牛的乳腺中都發(fā)現(xiàn)了SGLT1的存在。Poppe等在腦皮層的神經(jīng)細(xì)胞、小腦和海馬都能夠檢測(cè)到SGLT1mRNA，但是在腦的毛細(xì)血管中沒(méi)有檢測(cè)到SGLT1mRNA[2]。SGLT1也在心臟和骨骼肌的毛細(xì)血管功能性表達(dá)，有助于骨骼肌和心肌毛細(xì)血管對(duì)葡糖糖的通透性，但是在小腸和下頜腺的毛細(xì)血管則沒(méi)有發(fā)現(xiàn)SGLT1的表達(dá)[3]。

研究表明，腸道對(duì)葡萄糖的吸收主要是通過(guò)小腸刷狀緣鈉葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)載體SGLT1所介導(dǎo)的。SGLT1是一種具有高度親和力的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在生物體內(nèi)的主要生理功能是特異性地轉(zhuǎn)運(yùn)D-葡萄糖和D-半乳糖[3]。作為Na+依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)體，SGLT1轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖是與Na+協(xié)同，轉(zhuǎn)運(yùn)Na+和葡萄糖數(shù)量的比例為2∶1。位于上皮細(xì)胞基底膜的Na+-K+-ATP酶維持細(xì)胞內(nèi)外的Na+濃度梯度，SGLT1順著濃度梯度將Na+轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞的同時(shí)將葡萄糖逆濃度差協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)入上皮細(xì)胞，同時(shí)SGLT1的構(gòu)象還原到原始狀態(tài)，重新暴露其表面的結(jié)合位點(diǎn)，以便與葡萄糖再次結(jié)合。維持這個(gè)過(guò)程的能量源于Na+濃度差形成的跨膜位點(diǎn)，因此SGLT1的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程是耗能的。小腸上皮黏膜對(duì)單糖的吸收功能與SGLT1的表達(dá)呈正相關(guān)，細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖則由位于側(cè)基底膜的載體GLUT2，經(jīng)易化轉(zhuǎn)運(yùn)擴(kuò)散進(jìn)入組織間隙液。

2 日糧因素對(duì)SGLT1表達(dá)的調(diào)控

2.1 碳水化合物

研究表明，多種因素都對(duì)小腸SGLT1的生物活性和表達(dá)水平具有調(diào)節(jié)作用，而日糧中的碳水化合物水平是其中一個(gè)主要因素。對(duì)多數(shù)動(dòng)物而言，小腸中的碳水化合物供給量增加時(shí)，都會(huì)增加相應(yīng)的酶和增強(qiáng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性，也就是日糧碳水化合物來(lái)調(diào)控腸道SGLT1的活性和表達(dá)水平[4]。在大鼠和小鼠上的研究表明，長(zhǎng)期地給予高水平的碳水化合物日糧能夠?qū)е履c道葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)速度的提高，日糧碳水化合物的變化所誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的變化伴隨著SGLT1蛋白數(shù)量或特異性根皮苷結(jié)合位點(diǎn)的變化[5]。相對(duì)于飼喂低或無(wú)碳水化合物日糧的大鼠，飼喂高含量葡萄糖、半乳糖、甘油、果糖、α-甲基葡萄糖、3-O-甲基葡萄糖、木糖、甘露糖和蔗糖的小鼠的腸道SGLT1 mRNA豐度明顯提高[6]。但是，日糧誘導(dǎo)的SGLT1 mRNA豐度的變化幅度比SGLT1蛋白豐度、特異性根皮苷結(jié)合位點(diǎn)和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)速率的變化幅度要小[7]。其在腺窩-絨毛軸上的分布不一致也表明了SGLT1 mRNA和葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)速率的不同，表明日糧碳水化合物對(duì)SGLT1的調(diào)節(jié)是翻譯或翻譯后調(diào)節(jié)的。在成年動(dòng)物中，葡萄糖誘導(dǎo)的SGLT1表達(dá)可以用mRNA的水平來(lái)衡量。

然而，日糧碳水化合物也可能增加沿腺窩或腺窩-絨毛連接細(xì)胞的SGLT1的轉(zhuǎn)錄，這些細(xì)胞沿著絨毛方向翻譯這些信息，SGLT1 mRNA的豐度在較上端絨毛細(xì)胞處降低。腸道灌注葡萄糖誘導(dǎo)腸細(xì)胞刷狀緣SGLT1表達(dá)的增加僅發(fā)生在腺窩-絨毛連接以下部分，然后SGLT1沿著腺窩-絨毛軸向絨毛頂端移動(dòng)。事實(shí)上，高碳水化合物日糧能夠通過(guò)誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄速率的增加而增加鼠腸道總的SGLT1mRNA的豐度。但是，轉(zhuǎn)錄速率增加的位點(diǎn)和總的SGLT1 mRNA豐度增加的位點(diǎn)卻不清楚。

某種類型的單糖或其代謝物能夠在短時(shí)間內(nèi)協(xié)同地增加鼠小腸內(nèi)相應(yīng)的消化酶和己糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體的基因表達(dá)[7]。反芻動(dòng)物上的研究認(rèn)為來(lái)源于碳水化合物水解的葡萄糖不能調(diào)節(jié)SGLT1的轉(zhuǎn)運(yùn)活性。Shirazibeechey等研究表明，通過(guò)十二指腸瘺管連續(xù)4 d向牛腸道灌注D-葡萄糖或D-半乳糖能使腸道刷狀緣膜中的SGLT1水平恢復(fù)到瘤胃沒(méi)有發(fā)育成熟的水平；但是灌注D-甘露醇、D-山梨醇和淀粉并不能誘導(dǎo)SGLT1的表達(dá)，表明誘導(dǎo)SGLT1表達(dá)的糖不一定要求是SGLT1的底物或者是必須被腸細(xì)胞代謝[8]。因此，消化道中可能存在糖的接受系統(tǒng)來(lái)感應(yīng)不同的糖并控制SGLT1的表達(dá)。

Dyer等認(rèn)為腸腔內(nèi)存在糖的敏感因子，其分布于腸上皮細(xì)胞膜的腸腔面且不同于SGLT1[9]。Vayro等用腸道STC-1細(xì)胞為適宜的體外模型來(lái)研究腸腔葡萄糖的影響，鑒定了SGLT1的啟動(dòng)子、啟動(dòng)子內(nèi)的葡萄糖敏感元件和涉及SGLT1轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的糖誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子[10]。

2.2 鈉的濃度

低鹽日糧能通過(guò)降低小雞腸道刷狀緣葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體的數(shù)量來(lái)降低葡萄糖的最大轉(zhuǎn)運(yùn)速度（Vmax）。日糧鈉離子的調(diào)節(jié)也是一種短期調(diào)節(jié)，小雞以飲水的方式獲得150 mmol·L-1NaCl 4 h后腸道葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)顯著增加，但葡萄糖的攝取率與采食高鹽日糧相近。在蛋雞上的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雞結(jié)腸中存在SGLT1，提高日糧鈉離子濃度能夠增加SGLT1的表達(dá)并增加鈉/葡萄糖的協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)，也提示SGLT1啟動(dòng)子存在某種元件直接或間接的感受日糧鈉濃度的變化[10]。研究表明，飼喂低鈉日糧顯著降低肉雞空腸、回腸和結(jié)腸刷狀緣膜囊中的SGLT1的活性，這種下降持續(xù)2 d后達(dá)到平臺(tái)期[11]。原因可能是低鈉日糧降低精氨酸加壓素分泌減少，或腸腔中鈉離子的濃度降低使SGLT1的表達(dá)減少。

2.3 鎘、銅、鋅等離子

對(duì)于腎，慢性鎘中毒可造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收異常，表現(xiàn)為腎糖尿、多尿和氨基酸尿等綜合征。Blumenthal等采用初級(jí)培養(yǎng)方式發(fā)現(xiàn)Cd2+能夠降低腎皮質(zhì)小管細(xì)胞的鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)活性且具有劑量依賴性，這就導(dǎo)致腎的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)重吸收障礙而表現(xiàn)為腎型糖尿[12]。這種抑制的特點(diǎn)是載體的Vmax降低，但與細(xì)胞通透性的改變、核苷磷酸鹽水平和分子間電解質(zhì)梯度的改變無(wú)關(guān)，即不改變細(xì)胞的單價(jià)陽(yáng)離子濃度。但是，這些結(jié)果與鎘離子影響細(xì)胞能量代謝和分子間鈉離子梯度的紊亂不一致。在體內(nèi)和體外研究中，鎘作用于質(zhì)膜導(dǎo)致葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的Vmax和總的根皮苷結(jié)合位點(diǎn)降低，但是并不影響與底物的親和系數(shù)，提示Cd2+直接作用于SGLT1而導(dǎo)致了糖尿。Kim等研究表明，向正常動(dòng)物的刷狀緣囊添加Cd2+導(dǎo)致SGLT1與根皮苷（SGLT1的特異性抑制劑）的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)減少[13]。當(dāng)刷狀緣的Cd2+的濃度達(dá)到3 800 pmol·mg-1時(shí)，根皮苷的結(jié)合下降80%，但是當(dāng)Cd2+的濃度達(dá)到4倍時(shí)，根皮苷的結(jié)合僅下降14%。這些結(jié)果都表明Cd2+對(duì)腎的鈉-底物協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的影響是間接的。

其他金屬如鋅離子和銅離子也都能抑制鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)載體的活性，只是鋅和銅的抑制作用所需要的離子濃度要比鎘離子高[12]。Blumenthal等進(jìn)一步研究表明，Cd2+、Zn2+和Cu2+都能造成穩(wěn)態(tài)水平的SGLT1 mRNA持久性降低，表現(xiàn)為抑制鈉-葡萄糖的協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)[14]。在Cd2+的濃度為7.5 μmol·L-1條件下，SGLT1 mRNA的相對(duì)濃度在12 h內(nèi)下降約70%，而鈉-葡萄糖載體活性下降70%則需要更長(zhǎng)的時(shí)間（24～48 h），載體活性下降發(fā)生在SGLT1 mRNA下降之后表明SGLT1mRNA濃度的下降導(dǎo)致了載體合成和穩(wěn)態(tài)濃度的降低。這一結(jié)果也與先前的研究結(jié)果相一致，即Cd2+影響載體的Vmax而不影響其與底物的親和性，表現(xiàn)為SGLT1的分子數(shù)減少。細(xì)胞攝取Cd2+或Zn2+后使鋅指蛋白（MTF1）與金屬硫蛋白基因的上游啟動(dòng)子區(qū)域的特異性的DNA序列（金屬反應(yīng)元件或MREs）結(jié)合，MTF1和這些序列的結(jié)合控制金屬硫蛋白mRNA的產(chǎn)生和蛋白質(zhì)的合成。

3 小 結(jié)

綜上所述，SGLT1受到日糧多種因素的影響且具有很大的差異性。但是，日糧調(diào)控鈉依賴性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（SGLT1）的機(jī)制還不完全清楚，各種日糧因素作用的相互關(guān)系亦不明朗。因此，深入研究SGLT1的表達(dá)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收的關(guān)系對(duì)于指導(dǎo)科學(xué)合理地配制動(dòng)物日糧，從而提高葡萄糖在小腸中的吸收以充分發(fā)揮動(dòng)物的生長(zhǎng)潛力具有重要意義。

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