腫瘤壞死因子α轉(zhuǎn)化酶在胰島素抵抗中的作用及有關(guān)機制*

周 聰 高 峰 張皎月 于麗秀 秦 鈾 盧芙蓉△

華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院1中西醫(yī)結(jié)合科，2內(nèi)分泌科，3藥劑科，4腫瘤科，武漢 430022

胰島素抵抗(insulin resistance，IR)是指一定量的胰島素與其特異性受體結(jié)合后所產(chǎn)生的生物效應(yīng)低于正常，表現(xiàn)為外周組織尤其是肌肉、脂肪組織對葡萄糖的攝取減少及抑制肝臟葡萄糖輸出的作用減弱。IR的發(fā)生與多種因子有關(guān)，如腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)、抵抗素、瘦素、IL-6等[1-2]，其中TNF-α在IR中起核心調(diào)節(jié)作用。人體內(nèi)TNF-α主要有2種形態(tài)：TNF-α胞外段(transmembrane tumor necrosis factor-alpha，TM-TNF-α)和可溶性TNF-α(secretory TNF-alpha，sTNF-α)；TM-TNF-α需要在腫瘤壞死因子α轉(zhuǎn)化酶(tumor necrosis factor-α converting enzyme，TACE)的水解作用下形成sTNF-α，才能進入循環(huán)系統(tǒng)，參與各種炎癥和免疫反應(yīng)[3]?，F(xiàn)本文就TACE與IR的關(guān)系作如下綜述。

1 TACE基因結(jié)構(gòu)與功能

Black等[4]于1997年發(fā)現(xiàn)了一種新的特異性催化TNF-α前體裂解的金屬蛋白酶，命名為TNF-α轉(zhuǎn)化酶(TACE)，并測定了其氨基酸序列；同年，Moss等[5]克隆了TACE基因。TACE屬于解整合素金屬蛋白酶(a disintegfin and metalloprotease，ADAM)家族成員，是一種在體內(nèi)廣泛分布的Ι型跨膜蛋白[6]。人TACE cDNA由3523個堿基組成，蛋白質(zhì)由824個氨基酸組成，相對分子量為86 kD，其前結(jié)構(gòu)域可與鋅催化位點相結(jié)合，只有去掉前結(jié)構(gòu)域才能形成具有活性的TACE，即將26 kD膜結(jié)合型TNF-α前體水解為具有生物活性的可溶性17 kD TNF-α。TACE基因的開放閱讀框編碼824個氨基酸，全長包括N端1～17的信號肽序列，18～214前導(dǎo)肽(包括一個半胱氨酸開關(guān))，215～473為金屬蛋白酶活性區(qū)，474～572為解整合素區(qū)，573～602為EGF樣區(qū)，603～671為Crambin樣區(qū)，672～694為跨膜區(qū)，695～824為胞漿尾。

2 TNF-α的來源與TACE的關(guān)系

TNF-α是一類由組織中巨噬細胞分泌的促炎性細胞因子，成熟的心肌細胞在某些應(yīng)激狀態(tài)下也具有產(chǎn)生TNF-α的能力；過量的TNF-α在許多疾病病理過程中起著關(guān)鍵作用，如休克、關(guān)節(jié)炎、胸膜炎、神經(jīng)炎、風(fēng)濕病、艾滋病性癡呆、阿爾茲海默癥等。腫瘤壞死因子的發(fā)現(xiàn)由來是Carswell等對接種卡介苗的小鼠在注射脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)后，小鼠血清中出現(xiàn)一種活性蛋白因子可引起腫瘤出血，且能抑制和殺死腫瘤細胞，遂稱之為腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)，又叫惡病質(zhì)因子(cachectin)[7]。TNF分為α和β兩種，TNF-α由活化的單核巨噬細胞產(chǎn)生，又稱惡病質(zhì)素(cachectin)；TNF-β由活化的淋巴細胞產(chǎn)生，又稱淋巴毒素(lymphotoxitin)，二者具有相似的活性。除以上細胞外，平滑肌細胞、成纖維細胞、內(nèi)皮細胞、表皮細胞、角質(zhì)細胞、星形細胞、成骨細胞等體內(nèi)多種細胞均具有產(chǎn)生和釋放TNF的能力。巨噬細胞能表達TM-TNF-α和sTNF-α，其中sTNF-α與全身性免疫反應(yīng)有關(guān)，TM-TNF-α則介導(dǎo)寄主體內(nèi)局部炎癥反應(yīng)[8]。TNF-α以跨膜形式表達于細胞表面，為26 kD的前體分子，即TM-TNF-α；經(jīng)TACE特異性水解作用，其胞外端被釋放，成為具有17 kD的sTNF-α，進入循環(huán)系統(tǒng)發(fā)揮生物學(xué)作用。

3 TNF-α與IR的關(guān)系

TNF-α直接作用于細胞內(nèi)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，干擾胰島素受體信號傳導(dǎo)而抑制胰島素的敏感性[9]。細胞在接受到TNF-α刺激后能誘導(dǎo)胰島素受體底物1(insulin receptor substrate-1，IRS-1)絲氨酸殘基的磷酸化，這種磷酸化能阻礙IRS-1正常的酪氨酸磷酸化，降低IRS-1與胰島素受體的結(jié)合能力，從而抑制胰島素下游信號通路，阻礙胰島素發(fā)揮作用[10]。TNF-α通過抑制葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4(glucose transporter-4，GLUT4)的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)位來降低胰島素刺激的葡萄糖攝取，導(dǎo)致胰島素抵抗[11]。有研究[12]表明，TM-TNF-α在IR中可能發(fā)揮局部作用：TM-TNF-α在細胞間傳導(dǎo)信號的方式比較特殊，它既作為配體與TNF-α受體結(jié)合，又作為受體接受細胞外信號傳導(dǎo)作用于表達TNF-α的細胞，這種雙極性因子模式在IR中的作用還待進一步研究[13]。

4 TACE與IR的關(guān)系

已經(jīng)證實IR與慢性炎癥狀態(tài)相關(guān)，并且已經(jīng)鑒定出從各種細胞類型(包括免疫細胞和脂肪細胞)釋放的多種炎性介質(zhì)參與IR的發(fā)生發(fā)展[14]。炎性細胞因子，如胰島素受體途徑的主要負調(diào)節(jié)因子TNF-α，與IR的發(fā)生高度相關(guān)[15]。研究[16]發(fā)現(xiàn)，胰島素抵抗嚙齒動物模型的脂肪組織中TNF-α表達增加。TACE被認為是人體內(nèi)最主要的TNF-α裂解蛋白酶，體內(nèi)90%TNF-α的裂解需要依靠其發(fā)揮作用。TACE能特異性水解TM-TNF-α前體，使其成為可溶性的sTNF-α進入循環(huán)系統(tǒng)。研究報道，高脂飲食模型小鼠脂肪組織中TACE活性顯著增加，TACE過表達顯著抑制AKT、GSK3和FoxO1的磷酸化，導(dǎo)致胰島素抵抗和糖尿病的發(fā)生[17]。TACE缺失(TACEMx1)轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)為葡萄糖耐量和胰島素敏感性的改善，并伴隨TNF-α和巨噬細胞浸潤減弱[18]。TACE雜合子(TACE+/-)缺失的小鼠脂肪組織中sTNF-α降低，胰島素抵抗指數(shù)和游離脂肪酸顯著下降[19]。游離脂肪酸可影響胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的蛋白，如抑制IRS-1的表達與酪氨酸磷酸化，降低組織器官對胰島素的敏感性，參與IR的發(fā)生。TACE/TNF-α平衡在胰島素抵抗和糖尿病發(fā)病中的作用已經(jīng)非常明確：其主要通過多種途徑導(dǎo)致胰島素受體底物(insulin receptor substrate，IRS)的絲氨酸磷酸化增加，阻礙正常的IRS酪氨酸磷酸化，導(dǎo)致IRS和胰島素受體結(jié)合能力降低，IRS激活下游磷脂減弱，干擾胰島素信號傳導(dǎo)的磷酸肌醇-3激酶(phosphatidylinositide 3-kinase，PI3K)磷酸化，最終導(dǎo)致胰島素信號通路受阻[20]。抑制TACE的活性，可抑制sTNF-α分泌，抑制IRS-1絲氨酸殘基磷酸化，增加GLUT4表達，增加葡萄糖的利用率及IRS-1酪氨酸殘基磷酸化，有效改善胰島素抵抗癥狀[21-22]。血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(angiotensin converting enzyme 2，ACE2)是一種主要催化血管緊張素-Ⅱ(angiotensin-Ⅱ)轉(zhuǎn)化為血管緊張素1-7(angiotensin1-7，Ang1-7)的酶，ACE2通過將血管緊張素II水解成Ang1-7而作為內(nèi)源性ACE抑制劑[23]。最新研究[24]發(fā)現(xiàn)，在糖尿病小鼠胰腺β細胞中，細胞ACE2水平下降和TACE過度表達。以往的研究證實，ACE2基因敲除小鼠表現(xiàn)出葡萄糖耐受不良和選擇性降低第一相胰島素分泌[25]。ACE2基因治療可改善db/db小鼠的葡萄糖耐量，增強胰島功能，增加β細胞增殖和胰島素含量，并阻止β細胞凋亡[26]。因此，TACE/ACE2可能通過水解胰島β細胞膜上的ACE2并使其脫落而導(dǎo)致胰島β細胞功能障礙，從而導(dǎo)致糖尿病和胰島素抵抗的發(fā)生。

5 前景與展望

由前所述，TACE是ADAM家族中的一員，能特異性的水解TM-TNF-α前體，使其成為可溶性的sTNF-α。sTNF-α與全身性免疫反應(yīng)有關(guān)，它通過不同的途徑干擾胰島素信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)，促進IR的發(fā)生，通過各種手段抑制TNF-α有可能改善IR。因此TNF-α拮抗作用似乎對糖尿病的治療有效。但迄今為止，TNF-α拮抗作用尚未在人類2型糖尿病中發(fā)揮明顯療效[27]。因此，TACE作為治療IR的主要靶點之一，越來越受到學(xué)者的推崇，由此可以預(yù)測抑制TACE在治療2型糖尿病中具有潛在優(yōu)勢。

近年來廣泛研究表明抑制TACE可能在改善IR方面起關(guān)鍵作用。組織金屬蛋白酶組織抑制劑3(tissue inhibitor of matrix metalloproteinase 3，TIMP3)現(xiàn)在被認為是TACE的天然抑制劑[28]。TIMP3純合子缺失(TIMP3-/-)在高脂肪飲食誘導(dǎo)下表現(xiàn)出TACE活性增強，并顯示為空腹、餐后葡萄糖和胰島素水平顯著增加，葡萄糖耐受性、胰島素敏感性變差。葫蘆巴種子歷來被用于烹飪和作為草藥，具有良好的抗糖尿病作用。研究[29]表明，葫蘆巴有效活性成分4-羥基異亮氨酸(4-hydroxyisoleucine，4-HIL)具有促進胰島素分泌并降低空腹血糖、改善糖耐量的作用。進一步研究[30]發(fā)現(xiàn)，4-HIL通過增強TIMP3、抑制TACE的活性來改善IR狀態(tài)。一項臨床研究[31]發(fā)現(xiàn)，非糖尿病患者接受葫蘆巴種子治療后，葡萄糖耐量改善20%以上。在另一項試驗[32]中，24名糖尿病患者接受了胡蘆巴種子治療8周，結(jié)果發(fā)現(xiàn)患者空腹血糖、甘油三酯和極低密度脂蛋白膽固醇顯著降低。未來中藥葫蘆巴應(yīng)用于糖尿病及胰島素抵抗的治療，還需進一步大規(guī)模的臨床及基礎(chǔ)研究加以驗證、開發(fā)。