肝糖異生的調(diào)控機(jī)制及降糖藥物的干預(yù)作用

李紅雪,匡洪宇

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院內(nèi)分泌科，哈爾濱 150001)

糖尿病是全球范圍內(nèi)日益嚴(yán)重的慢性健康問(wèn)題。據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)盟估計(jì)，目前全球約有4.51億糖尿病患者，預(yù)計(jì)2045年將會(huì)增加到6.93億[1]。其中2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)占糖尿病患者總數(shù)的90%以上[2]。T2DM是由于遺傳、環(huán)境等多重因素共同作用而形成的多基因遺傳性疾病，是一種復(fù)雜的糖代謝性疾病，可引起多器官或組織功能失調(diào)，使機(jī)體中胰島素的分泌減少及功能減弱，導(dǎo)致高血糖癥和廣泛的代謝缺陷。因此，T2DM的防治是目前全球范圍內(nèi)需要解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。

肝臟是維持機(jī)體能量平衡的主要器官，參與糖的代謝(包括糖原合成、糖原分解、糖酵解和糖異生)，在維持血糖穩(wěn)態(tài)中起重要作用。當(dāng)機(jī)體處于空腹?fàn)顟B(tài)時(shí)，非碳水化合物來(lái)源的葡萄糖和糖原通過(guò)肝糖異生作用，將葡萄糖供給處于饑餓狀態(tài)的組織，從而維持血糖水平。在T2DM患者中，由于胰島β細(xì)胞功能受損、胰島素抵抗、胰高血糖素分泌增多等，肝糖異生率增加從而導(dǎo)致肝糖調(diào)節(jié)功能障礙，繼而出現(xiàn)高血糖[3]?，F(xiàn)就肝糖異生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制及當(dāng)前降糖藥物的肝糖異生干預(yù)作用進(jìn)行綜述。

1 肝糖異生的調(diào)控機(jī)制

在長(zhǎng)期禁食或饑餓狀態(tài)下誘導(dǎo)非糖化合物(乳酸、生糖氨基酸、甘油等)轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟腔蛱窃倪^(guò)程稱(chēng)為糖異生。糖異生需要丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxy kinase，PEPCK)、果糖-1,6-二磷酸酶和葡萄糖-6-磷酸酶(glucose 6 phosphatase，G6Pase)繞過(guò)糖酵解酶催化的不可逆反應(yīng)，其中PEPCK和G6Pase被認(rèn)為是糖異生途徑的關(guān)鍵控制點(diǎn)。肝臟是糖異生的主要器官，腎臟的糖異生功能只有肝臟的1/10[4]，因此肝糖異生對(duì)于調(diào)控機(jī)體血糖水平具有重要意義。肝糖異生水平首先通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的編碼糖異生酶基因的激活和抑制實(shí)現(xiàn)翻譯前調(diào)節(jié)[5]，同時(shí)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的改變和激素的釋放將誘導(dǎo)肝糖異生相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄并通過(guò)磷酸化、甲基化和乙酰化等完成翻譯后修飾(post-translational modification，PTM)，實(shí)現(xiàn)整條信號(hào)通路的激活，完成肝糖異生反應(yīng)[6]。

1.1肝糖異生信號(hào)通路 在外部因素的刺激下，胰島素、胰高血糖素、糖皮質(zhì)激素等激素被促進(jìn)或抑制，影響糖異生途徑，進(jìn)而調(diào)節(jié)基因表達(dá)和葡萄糖的生成。胰島素通過(guò)蛋白激酶B介導(dǎo)的叉頭轉(zhuǎn)錄因子O亞家族(forkhead transcription factors of the O class，F(xiàn)OXO)1的磷酸化及抑制過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)的表達(dá)和轉(zhuǎn)錄活性，抑制G6Pase及PEPCK基因表達(dá)來(lái)調(diào)控肝糖異生[7]。在禁食條件下，胰高血糖素、糖皮質(zhì)激素[8]、腎上腺素[9]可通過(guò)腺苷酸環(huán)化酶的激活而增加肝臟中的環(huán)腺苷酸(cyclic adenylic acid，cAMP)濃度，從而引起蛋白激酶A的活化，并通過(guò)絲氨酸磷酸化誘導(dǎo)cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)上調(diào)PGC-1α的表達(dá)，進(jìn)而刺激肝糖異生和脂肪酸氧化，同時(shí)可增強(qiáng)FOXO1轉(zhuǎn)錄活性，啟動(dòng)G6Pase及PEPCK基因來(lái)維持饑餓狀態(tài)下的糖異生作用。下丘腦-垂體-甲狀腺軸的相關(guān)激素亦與糖代謝關(guān)系密切[10]，促甲狀腺激素通過(guò)cAMP與其受體促甲狀腺激素受體相互作用激活蛋白激酶A，進(jìn)一步抑制鹽誘導(dǎo)激酶2的激活，使去磷酸化的CREB轉(zhuǎn)錄共激活因子(CREB-regulated transcription coactivator，CRTC)2進(jìn)入細(xì)胞核并與CREB相互作用，促進(jìn)PEPCK和G6Pase基因的表達(dá)，從而促進(jìn)肝糖異生。

1.2肝糖異生轉(zhuǎn)錄因子

1.2.1CREB CREB是一種通過(guò)與G6Pase、果糖-1,6-二磷酸酶和PEPCK啟動(dòng)子區(qū)上CREB結(jié)合蛋白相結(jié)合而發(fā)揮作用的葡萄糖異生基因轉(zhuǎn)錄激活劑。有研究表明，CREB的失活會(huì)降低小鼠的血糖水平，同時(shí)減少糖異生基因的表達(dá)，表明CREB是體內(nèi)肝糖異生的一種真正的生理轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子[11]。CREB的轉(zhuǎn)錄通過(guò)與CRTC的結(jié)合進(jìn)一步增強(qiáng)，CRTC家族主要有CRTC1、CRTC2和CRTC3，以及新發(fā)現(xiàn)的CRTC第二家族CREB輔激活物。其中CRTC2在肝臟中高表達(dá)，通過(guò)誘導(dǎo)下游PEPCK、G6Pase、PGC-1α的表達(dá)增加維持空腹時(shí)的葡萄糖穩(wěn)態(tài)[12]。正常狀態(tài)下，磷酸化的CRTC2被隔離在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，隨著cAMP水平的升高，CRTC去磷酸化后轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核，從而與CREB結(jié)合激活cAMP應(yīng)答元件介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)控肝糖異生[13]。因此,抑制CRTC2的表達(dá)可成為抑制肝糖生成治療的新靶點(diǎn)。

1.2.2FOXO FOXO屬于一類(lèi)叉頭轉(zhuǎn)錄家族，參與調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)展、凋亡、分化、能量代謝等過(guò)程。其在哺乳動(dòng)物中的4種主要亞型包括FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6[7]，其中FOXO1是肝臟中的主要亞型。FOXO1結(jié)合位點(diǎn)被定位在G6Pase和PEPCK的啟動(dòng)子上，在胰島素-蛋白激酶B途徑中起關(guān)鍵作用[14]。FOXO1的主要作用是促進(jìn)空腹時(shí)糖異生基因PEPCK和G6Pase的表達(dá)，增加肝糖輸出，逆轉(zhuǎn)胰島素抵抗[15]。有研究發(fā)現(xiàn),FOXO1過(guò)表達(dá)可使小鼠肝糖原水平降低，而FOXO1基因缺失小鼠則表現(xiàn)出葡萄糖利用增加，肝糖異生受到抑制[16]。在人類(lèi)脂肪細(xì)胞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO1的抑制誘導(dǎo)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)，表明FOXO1對(duì)于維持人類(lèi)脂肪細(xì)胞的正常胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至關(guān)重要[17]。同樣在高糖高脂小鼠肝臟中FOXO1轉(zhuǎn)錄活性明顯增加,且脂肪酸合成酶的表達(dá)增加，表明FOXO1具有調(diào)控胰島素調(diào)節(jié)肝臟糖脂代謝的能力。

1.2.3PGC-1和肝細(xì)胞核因子4α(hepatocyte nuclear factor 4α，HNF-4α) 協(xié)同激活因子家族已成為整合信號(hào)通路，是控制細(xì)胞和系統(tǒng)代謝的主要參與者。PGC-1家族由PGC-1α、PGC-1β、PRC(PGC-1相關(guān)因子)三個(gè)成員組成，它們可與多種轉(zhuǎn)錄因子相互作用，在維持葡萄糖、脂質(zhì)和能量穩(wěn)態(tài)方面起關(guān)鍵作用[18]。PGC-1α(一種已知的核受體共激活劑)被認(rèn)為是多種轉(zhuǎn)錄因子的共激活劑。有研究發(fā)現(xiàn)，PGC-1α以蛋白激酶B介導(dǎo)的磷酸化抑制方式結(jié)合并共同激活FOXO1，在肝細(xì)胞和小鼠肝臟中表達(dá)[19]。HNF-4α是一個(gè)高度保守的核受體超家族成員，被證明為調(diào)控肝特異性基因表達(dá)和肝細(xì)胞分化所需的轉(zhuǎn)錄因子[20]。HNF-4α通過(guò)與啟動(dòng)子中的HNF-4α順式元件結(jié)合來(lái)激活PEPCK和G6Pase的表達(dá)。此外，HNF-4α功能障礙還與年青的成年發(fā)病型糖尿病、高血脂水平和代謝綜合征等相關(guān)[21]。因此，HNF-4α可能是這些疾病發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。

1.2.4PEPCK和G6Pase PEPCK通過(guò)催化草酰乙酸的鳥(niǎo)苷三磷酸依賴(lài)性脫羧生成磷酸烯醇式丙酮酸，作為肝臟、腎臟和脂肪組織糖異生的第一步。當(dāng)胰島素抵抗發(fā)生時(shí),其活性明顯增高，使肝糖異生加速，肝糖輸出增加。有研究顯示，當(dāng)小鼠血糖水平顯著降低時(shí)，肝臟PEPCK蛋白水平下降，表明PEPCK在生理性葡萄糖穩(wěn)態(tài)中起重要作用[22]。研究表明，PEPCK啟動(dòng)子具有與葡萄糖穩(wěn)態(tài)直接相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，如CREB、FOXO1。由于PEPCK的表達(dá)是精確協(xié)調(diào)的，并且與全身葡萄糖需求平行，PEPCK的表達(dá)被廣泛地用作對(duì)分子或藥物干預(yù)反應(yīng)的肝糖異生通量變化指標(biāo)[23]。G6Pase是一種膜結(jié)合的多元系統(tǒng)，由底物葡萄糖-6-磷酸、產(chǎn)物葡萄糖及磷酸鹽的催化單元和轉(zhuǎn)運(yùn)單元組成。G6Pase的催化亞單位包括G6PC1、G6PC2和G6PC3三個(gè)基因編碼。其中G6PC1基因表達(dá)受胰島素和胰高血糖素的直接調(diào)控[24]。G6Pase在肝臟中的活性最高，與PEPCK一樣，G6Pase并沒(méi)有翻譯后調(diào)控，僅受到轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)[25]。G6Pase啟動(dòng)子包含多個(gè)激素應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子共激活因子結(jié)合位點(diǎn)，是肝糖異生作用中重要的關(guān)鍵點(diǎn)。

1.3PTM調(diào)節(jié)肝糖異生 PTM是指蛋白質(zhì)合成后進(jìn)行可逆或不可逆的共價(jià)修飾，包括磷酸化、去甲基化、去乙?；?、ADP-核糖化和泛素化等，以細(xì)胞和組織特異的方式調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄[26]。PTM在糖異生調(diào)節(jié)中的作用受到廣泛關(guān)注，磷酸化多種轉(zhuǎn)錄激活因子，是PTM調(diào)節(jié)糖異生的典型機(jī)制[27]。此外，賴(lài)氨酸乙酰化和精氨酸甲基化在糖異生調(diào)節(jié)因子中被認(rèn)為是進(jìn)化上保守的PTM，在糖異生調(diào)節(jié)中起重要作用[28]。

2 藥物干預(yù)作用

2.1二甲雙胍與肝糖異生 二甲雙胍是T2DM的一線(xiàn)治療藥物，通過(guò)抑制肝糖異生降低血糖是二甲雙胍的主要作用機(jī)制，然而確切機(jī)制仍待探究。有研究表明，二甲雙胍可通過(guò)激活A(yù)MP活化蛋白激酶通路磷酸化CRTC2，從而調(diào)控肝糖異生[29]。同時(shí)二甲雙胍可通過(guò)抑制線(xiàn)粒體復(fù)合物的活性，減少腺苷三磷酸的生成，進(jìn)而調(diào)控糖異生的關(guān)鍵基因。但有研究表示，二甲雙胍的關(guān)鍵作用可能與ATP濃度或AMP活化蛋白激酶激活無(wú)關(guān)，而是通過(guò)增加胞質(zhì)的氧化還原狀態(tài)調(diào)節(jié)糖異生[30]。研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍誘導(dǎo)的AMP濃度增加被證明對(duì)果糖-1,6-二磷酸酶有變構(gòu)抑制作用，進(jìn)而調(diào)節(jié)肝糖異生[31]。雖然二甲雙胍作為治療T2DM的首選藥物，但還有許多深度機(jī)制有待挖掘。

2.2噻唑烷二酮藥物(thiazolinediones，TZDs)與肝糖異生 TZDs降糖藥在臨床中廣泛應(yīng)用，雖然近年來(lái)TZDs在治療T2DM方面失去了優(yōu)勢(shì)，但仍是公認(rèn)有效的胰島素增敏劑，已知TZDs是通過(guò)激活過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor-γ，PPARγ)發(fā)揮降糖效應(yīng),PPARγ是代謝、炎癥和其他途徑中基因表達(dá)的主要調(diào)節(jié)因子，主要作用于脂肪組織，通過(guò)調(diào)節(jié)葡萄糖和脂質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化來(lái)提高胰島素敏感性[32]。增加胰島素敏感性是抑制肝糖異生的重要條件，而PPARγ作用于PEPCK和G6Pase是其介導(dǎo)胰島素增敏作用的主要機(jī)制[33]。有研究發(fā)現(xiàn)，PPARγ激動(dòng)劑能減少地塞米松誘導(dǎo)細(xì)胞G6Pase、PEPCK、FOXO1、PGC-1α等基因表達(dá)[34]。國(guó)內(nèi)有研究證明，TZDs可以增強(qiáng)AMP活化蛋白激酶的磷酸化，增強(qiáng)CRTC2的磷酸化，抑制CRTC2的轉(zhuǎn)錄共激活活性，從而調(diào)控肝糖異生，在整體上改善高血糖[35]。上述研究證明了TZDs具有調(diào)控肝糖異生的作用。

2.3磺脲類(lèi)藥物(sulfonylureas，SU)與肝糖異生 SU是一種廣泛應(yīng)用于T2DM的口服降糖藥，是一類(lèi)胰島素促泌劑，通過(guò)刺激胰島β細(xì)胞分泌胰島素，增加體內(nèi)胰島素水平發(fā)揮作用。急性期使用SU可刺激胰島素分泌來(lái)發(fā)揮降血糖作用，但有研究表明，SU在慢性治療中可能與胰腺外作用相關(guān)，可以通過(guò)改善胰島素抵抗來(lái)降低血糖[36]。進(jìn)一步的研究表明，SU能夠在活化胰島素信號(hào)指標(biāo)蛋白激酶B的同時(shí)抑制肝臟PEPCK和G6pase表達(dá)，增加肝糖原的合成并減少糖異生[37]。已經(jīng)證明，無(wú)論是在大鼠肝臟還是分離的大鼠肝細(xì)胞中，SU均可抑制不同的糖異生前體葡萄糖生成，同時(shí)增加葡萄糖激酶活性，下調(diào)PEPCK活性，調(diào)控肝糖異生，表明SU在增加肝糖利用的同時(shí)抑制肝糖輸出[38]。

2.4胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide 1，GLP-1)與肝糖異生 GLP-1是由腸黏膜L細(xì)胞分泌的一種腸降血糖素，具有顯著降糖、減重、肝保護(hù)等作用，已廣泛應(yīng)用于臨床。GLP-1通過(guò)刺激胰島素分泌、抑制胰高血糖素分泌、減緩胃排空、減少食物攝入等作用發(fā)揮降糖作用。盡管關(guān)于GLP-1受體在肝細(xì)胞中的表達(dá)仍存在爭(zhēng)議，但通過(guò)觀(guān)察GLP-1及相關(guān)藥物在各種胰島素抵抗模型中的肝臟獲益，可以得出結(jié)論GLP-1具有胰島素非依賴(lài)性的肝保護(hù)作用[39]。有研究顯示，GLP-1類(lèi)似物能夠單獨(dú)激活肝糖異生反應(yīng)，并且不使用cAMP作為肝組織中的細(xì)胞內(nèi)信使[40]。同樣在動(dòng)物研究中發(fā)現(xiàn)GLP-1類(lèi)似物可降低糖尿病db/db小鼠和Pax6m/+小鼠[41]、人原代肝細(xì)胞以及HepG2細(xì)胞[42]中G6Pase和PEPCK的水平和活性，表明GLP-1參與肝糖異生的調(diào)控，但無(wú)法確定GLP-1是單獨(dú)作用還是通過(guò)對(duì)激素作用而實(shí)現(xiàn)肝糖異生的調(diào)控，因此進(jìn)一步的基因轉(zhuǎn)錄機(jī)制和通路有待研究。

2.5二肽酰肽酶4(dipeptidyl peptidase-4，DPP-4)抑制劑與肝糖異生 DPP-4抑制劑作為一種新型降糖藥物,在當(dāng)前降糖領(lǐng)域占有重要地位。此類(lèi)藥物通過(guò)抑制DPP-4活性抑制GLP-1的降解，延長(zhǎng)GLP-1的促胰島素分泌作用，從而調(diào)控血糖水平[43]。但DPP-4抑制劑對(duì)內(nèi)源性葡萄糖生成的抑制途徑研究較少，有研究認(rèn)為降低糖異生前體(如甘油)的可用性是DPP-4抑制劑治療肥胖大鼠糖異生減少的機(jī)制[44]，表明長(zhǎng)期應(yīng)用DPP-4可抑制全身脂肪分解，減少肝糖異生和肝糖生成，從而降低空腹血糖。同樣有研究發(fā)現(xiàn)，DPP-4抑制劑可顯著減少高糖高脂小鼠肝臟中糖異生基因的表達(dá)，抑制CREB磷酸化并增加CRTC2的表達(dá)，同時(shí)上調(diào)FOXO1的磷酸化可使G6Pase和PEPCK的蛋白表達(dá)水平降低，機(jī)體血糖水平降低[45]，表明肝糖異生也是DPP-4抑制劑的降糖機(jī)制之一，DPP-4抑制劑可能被用來(lái)控制肥胖患者的空腹血糖，以延緩或預(yù)防T2DM。

3 小 結(jié)

機(jī)體需要穩(wěn)定的葡萄糖供應(yīng)來(lái)維持各組織器官的正常生理功能，肝糖異生反應(yīng)在維持機(jī)體葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，肝糖異生反應(yīng)在多種水平上受到調(diào)控，包括胰島素、胰高血糖素、糖皮質(zhì)激素等激素的分泌調(diào)節(jié)以及多種轉(zhuǎn)錄因子參與的翻譯前調(diào)控和PTM，從而影響機(jī)體葡萄糖代謝水平。在現(xiàn)階段臨床常用的降糖藥物(二甲雙胍、噻唑烷二酮類(lèi)、磺脲類(lèi)、胰高血糖素樣肽和DPP-4抑制劑等)均被研究發(fā)現(xiàn)能夠通過(guò)調(diào)控肝糖異生反應(yīng)發(fā)揮作用。未來(lái)，不斷發(fā)掘新的肝糖異生調(diào)控基因或通路、尋找肝糖異生的作用靶點(diǎn)將成為T(mén)2DM診治的新方向。