APPL1與胰島素抵抗的關(guān)系及運(yùn)動對其調(diào)控作用研究進(jìn)展

孫易 丁樹哲

華東師范大學(xué)青少年健康評價與運(yùn)動干預(yù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院（上海200241）

APPL1 全 稱adaptor protein，phosphotyrosine in?teraction，PH domain and leucine zipper containing 1，是一種高度保守的銜接蛋白，在胰島素信號通路和脂聯(lián)素（adiponectin）信號通路中均發(fā)揮重要功能[1]。APPL1在哺乳動物中分布十分廣泛，其中，小鼠的骨骼肌、腦、脂肪、肝臟、心臟、脾臟、胰腺和腎臟，以及人的脂肪、肝臟、肌肉、腦和胰腺中均可見APPL1表達(dá)[2]。

1 APPL1的結(jié)構(gòu)與功能

圖1 APPL1的功能域及其與胰島素信號通路和脂聯(lián)素信號通路相關(guān)蛋白結(jié)合區(qū)域（參考Diggins & Webb，2017[5]制作）

APPL1由710個氨基酸組成，包含五個功能域，即：NH2-terminal Bin/Ampiphysin/Rvs （BAR）域、central pleckstrin homology（PH）域、region between PH and PTB（BPP）域、phosphotyrosine-binding（PTB）域以及COOH-terminal（CC）域。其中，BAR，PH 和PTB 是APPL1的主要功能域[2]。一系列研究顯示，APPL1與諸多細(xì)胞表面受體、脂聯(lián)素、卵泡刺激素（follicle-stimu?lating hormone，F(xiàn)SH）以及細(xì)胞內(nèi)信號分子（Rab5）、G蛋白信號調(diào)節(jié)體-G alpha 相互作用蛋白C 端（regula?tor of G protein signaling-G alpha-interacting protein COOH，GIPC）和肌醇5-磷酸酶（inositol 5-phospha?tase）等結(jié)合，因此可作為關(guān)鍵靶點(diǎn)協(xié)調(diào)眾多信號級聯(lián)通路[1，3，4]。圖1所示為APPL1的五個功能域及其與胰島素信號通路和脂聯(lián)素信號通路相關(guān)蛋白的結(jié)合區(qū)域。

除通過不同的功能域與諸多分子相結(jié)合，從而激活下游信號通路外，APPL1 的功能發(fā)揮很大程度上依賴于其磷酸化程度。APPL1 具有13 個磷酸化位點(diǎn)，包括Ser151、Ser401、Ser427、Ser430 和Ser691/693/696 等，因此，磷酸化對APPL1激活來說十分重要[2，6，7]。

已有證據(jù)顯示，APPL1 發(fā)生基因突變或功能失調(diào)可能導(dǎo)致家族性糖尿病、唐氏綜合征以及阿爾茲海默癥等疾病發(fā)生。除此之外，越來越多的證據(jù)顯示，AP?PL1 調(diào)控異常還與肥胖、2 型糖尿?。═2DM）和代謝綜合征的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，且這主要是通過其在胰島素信號通路和脂聯(lián)素信號通路中發(fā)揮的作用實(shí)現(xiàn)的[2]。APPL1 對胰島素抵抗的作用及機(jī)制將在下文展開探討論述。

2 APPL1與胰島素信號通路

2.1 胰島素信號通路

胰島素對葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)和葡萄糖攝取的作用是通過分子內(nèi)胰島素信號級聯(lián)通路實(shí)現(xiàn)的[8]。胰島素首先與胰島素受體（insulin receptor，IR）的α-亞基結(jié)合，這導(dǎo)致IR 結(jié)構(gòu)變化并發(fā)生自磷酸化。IR 的Tyr960 位點(diǎn)發(fā)生磷酸化使其被胰島素受體底物（insulin receptor sub?strate，IRS）識別。在諸多IRS 中，IRS1 和IRS2 是研究得最廣泛的。通過與IRS 相結(jié)合，磷脂酰肌醇-3 激酶（phosphatidylinositol 3-kinease，PI3K）能磷酸化磷脂酰肌醇，從而激活蛋白激酶B（protein kinase B，Akt/PKB）、蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）和p70S6激酶等下游分子。

2.2 APPL1對胰島素信號通路各組分的調(diào)控作用

2.2.1 APPL1與葡萄糖代謝

APPL1具有的PTB域使它能與Akt和PI3K等分子結(jié)合。在肝臟細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞中均發(fā)現(xiàn)APPL1介導(dǎo)胰島素作用。APPL1破壞會誘發(fā)胰島素抵抗以及胰島素分泌缺陷，從而導(dǎo)致小鼠葡萄糖耐受性降低[3]。Cleasby等的在體實(shí)驗(yàn)顯示，APPL1過表達(dá)通過激活胰島素信號通路促進(jìn)骨骼肌糖原合成，并改善高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗[9]。而在同樣被喂養(yǎng)高脂飼料的情況下，APPL1 Tg小鼠比野生鼠對葡萄糖攝取增多，且外周胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)也相對改善[10]。上述結(jié)果表明，APPL1 過表達(dá)可以改善高脂喂養(yǎng)導(dǎo)致的小鼠代謝紊亂。

基于熱量限制小鼠模型的研究結(jié)果則顯示，盡管小鼠肝臟中APPL1 的mRNA 表達(dá)有顯著性上升趨勢（P=0.06），然而其蛋白水平與普通喂養(yǎng)小鼠相比卻無顯著性差異[11]。

2.2.2 APPL1與Akt調(diào)控

Akt是胰島素信號通路中PI3K下游最重要的分子之一，包括三種亞型：Akt1、Akt2和Akt3。其中，只有Akt1和Akt2參與胰島素信號傳遞。Akt是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，在細(xì)胞凋亡、增殖和代謝過程中均具有重要功能。肝臟胰島素抵抗以及肝臟葡萄糖超常生成是導(dǎo)致T2DM病人空腹血糖增高的主要原因，且Akt調(diào)控異常是其中的一個重要原因，然而其機(jī)制并不完全明了。

Akt 的活性取決于它的磷酸化程度，包括：被磷酸肌醇依賴的蛋白激酶1（phosphoinositide -dependent kinase 1，PDK1）在Thr308位點(diǎn)磷酸化，以及被哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）在Ser473位點(diǎn)磷酸化。激活后，Akt隨后被招募至細(xì)胞膜。正常情況下，隨著胰島素刺激，PDK1 使Akt1 的Thr308 位點(diǎn)發(fā)生磷酸化并激活，從而抑制肝臟葡萄糖生成[3]。其中，Akt 通過抑制叉頭蛋白家族1（Forkhead box protein O1，F(xiàn)OXO1）的活性降低關(guān)鍵糖異生酶PEPCK和G6Pase的表達(dá)水平。此外，被激活的Akt還能通過磷酸化依賴的，對過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α（peroxisome proliferatoractivated receptor coactivator-1α，PGC-1α）和雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物2（target of rapamycin complex 2，TORC2）的下調(diào)作用來抑制糖異生過程。

APPL1最初在酵母菌中被鑒定為Akt2的互作伴侶（interacting partner），促進(jìn)后者被招募至細(xì)胞膜[12]。隨后的研究顯示，APPL1 敲除能抑制Akt 磷酸化、胰島素刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)以及葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）轉(zhuǎn)位[13]。對3T3-L1 細(xì)胞進(jìn)行6～24 小時的慢性胰島素刺激能導(dǎo)致APPL1 重新分布到細(xì)胞核[13]。然而，在同一研究中卻觀察到了自相矛盾的現(xiàn)象，即：過表達(dá)或敲除APPL1 均會抑制GLUT4轉(zhuǎn)位以及隨后的葡萄糖攝取。其原因可能在于：過表達(dá)APPL1 可能引起其與Akt2 和PDK1 的競爭，導(dǎo)致Akt2 錯誤定位，從而影響胰島素信號和GLUT4 轉(zhuǎn)位[13]。在此基礎(chǔ)上，隨后的在體及離體實(shí)驗(yàn)均顯示，AP?PL1 能增強(qiáng)胰島素通過Akt 激活產(chǎn)生的對肝臟葡萄糖生成的抑制作用[3]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，tribbles假激酶蛋白3（tribbles pseudokinase 3，TRB3）是Akt的抑制物，而APPL1能與TRB3競爭性地結(jié)合Akt，從而抵消TRB3對胰島素誘導(dǎo)Akt 信號通路的抑制作用[3]。與APPL1結(jié)合后，Akt得以從TRB3-Akt復(fù)合物中釋放出來，轉(zhuǎn)位至細(xì)胞膜發(fā)揮其功能。此外，APPL1 Tg小鼠還可以抵抗高脂膳食喂養(yǎng)引起的心肌p-Akt水平降低[10]。

2.2.3 APPL1對胰島素信號通路其它組分的調(diào)控

盡管早期的研究認(rèn)為，APPL1 對胰島素信號通路中Akt 及其下游分子產(chǎn)生作用，然而Cleasby 的實(shí)驗(yàn)則顯示，APPL1 過表達(dá)肌肉中可見PI3K 通路中關(guān)鍵分子，包括IRS1、Akt、TBC1 域家族成員4（TBC1 domain family member 4，TBC1D4）和糖原合成酶激酶3（gly?cogen synthase kinase 3，GSK3）的磷酸化水平升高[9]，這表明APPL1 可能在IRS1 水平即對PI3K 通路產(chǎn)生作用。此外，基于肌肉溶解物的免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)未能探測到Akt 和APPL1 之間的直接聯(lián)系，這也表明APPL1可能與胰島素信號通路中較Akt 更近端的分子發(fā)生結(jié)合[9]。Ryu等也發(fā)現(xiàn)，除Akt外，APPL1還可與IRS1結(jié)合[14]。在胰島素刺激下，APPL1 與IRS1 間的關(guān)聯(lián)呈時間依賴性降低，而IRS1 發(fā)生酪氨酸位點(diǎn)磷酸化以及IRβ和IRS1之間的關(guān)聯(lián)則呈時間依賴性增加[14]。

2.2.4 對APPL1的翻譯后調(diào)控與胰島素抵抗

在翻譯后水平上，APPL1 能被磷酸化修飾和泛素化修飾。APPL1在Ser430位點(diǎn)發(fā)生磷酸化會損害肝細(xì)胞胰島素刺激的Akt 激活。已知PKC 同工型激活與肥胖和胰島素抵抗相關(guān)，研究顯示，APPL1在Ser430位點(diǎn)發(fā)生磷酸化介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（endoplasmic reticulum stress，ERS）誘導(dǎo)的胰島素抵抗，且PKCα在其中扮演重要角色[7]。此外，db/db 小鼠以及高脂膳食喂養(yǎng)誘導(dǎo)肥胖小鼠的肝臟中可見pAPPL1Ser430顯著增加，也佐證了pAPPL1Ser430與胰島素抵抗的相關(guān)性[7]。除Ser430外，APPL1在Ser401位點(diǎn)發(fā)生磷酸化與胰島素敏感性相關(guān)[14]。Ser401 在不同物種中高度保守。離體及在體研究均顯示，在胰島素刺激下，APPL1在Ser401位點(diǎn)發(fā)生快速磷酸化[14]。此外，高脂喂養(yǎng)小鼠骨骼肌中可見胰島素刺激誘導(dǎo)的APPL1Ser401磷酸化程度顯著降低。

除磷酸化修飾外，APPL1 的含量還受到泛素化作用的調(diào)控。Cheng 等的研究發(fā)現(xiàn)，TNF 受體關(guān)聯(lián)因子6（TNF receptor-associated factor 6，TRAF6）是導(dǎo)致APPL1發(fā)生泛素化的E3泛素連接酶[15]。TRAF6敲除顯著減弱Akt 在胰島素刺激下的磷酸化及其下游GSK3β和FOXO1的作用，從而導(dǎo)致胰島素對葡萄糖生成的抑制作用受損。

3 APPL1與脂聯(lián)素信號通路

3.1 脂聯(lián)素的功能

脂聯(lián)素是一種源自脂肪細(xì)胞的分泌性蛋白[16]。脂聯(lián)素，又稱Acrp30，AdipoQ，GBP-28或apM1，是一種白色脂肪組織來源的分子，具有抗糖尿病、促胰島素敏感性和抗炎等特征，且參與脂肪氧化和葡萄糖代謝。它的兩個受體為AdipoR1和AdipoR2，其中，AdipoR1是肌肉中的主要亞型，AdipoR2是肝臟中的主要亞型[2，9]。

在體內(nèi)循環(huán)中，脂聯(lián)素能以不同的多聚體形式存在，包括：三聚體LMW（low molecular weight）形式、六聚體MMW形式以及多聚體HMW形式[17]。其中，HMW是最活躍的，也與胰島素敏感性更相關(guān)[18]。肥胖群體中可見脂聯(lián)素作用受損，稱為脂聯(lián)素抵抗。人血清中，脂聯(lián)素的濃度一般在2～20 μg/ml之間，遠(yuǎn)比其它胰島素敏感脂肪因子要高[19]。肥胖人群中可見循環(huán)脂聯(lián)素水平降低，且低脂聯(lián)素濃度與糖尿病和代謝綜合征的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[20]。

3.2 APPL1、AdipoR與脂聯(lián)素信號通路

APPL1 是第一個被鑒定出與AdipoR 發(fā)生直接關(guān)聯(lián)的分子，也是脂聯(lián)素信號通路最重要的調(diào)節(jié)蛋白之一。APPL1的PTB域能直接與脂聯(lián)素受體的胞內(nèi)區(qū)域結(jié)合[21，22]。離體實(shí)驗(yàn)顯示，APPL1能與AdipoR1及Adi?poR2 發(fā)生聯(lián)系，且在C2C12 細(xì)胞中過表達(dá)APPL1 導(dǎo)致p38 MAPK 和AMP 依賴的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）的磷酸化水平顯著上升[23]。

在APPL1 激活A(yù)MPK 的途徑中，肝臟激酶B1（liv?er kinase B1，LKB1）作為AMPK的上游分子也備受關(guān)注。在正常生理狀態(tài)下，LKB1 主要位于細(xì)胞核中，只有當(dāng)其轉(zhuǎn)位到胞質(zhì)中時才能激活相應(yīng)底物。在對脂聯(lián)素刺激下的LKB1轉(zhuǎn)位機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步探索后發(fā)現(xiàn)：在基礎(chǔ)狀態(tài)下，蛋白磷酸酶2A（Protein phosphatase 2A，PP2A）的活性被抑制，PKCζ活性較高，LKB1 在Ser307位點(diǎn)發(fā)生磷酸化，從而有利于LKB1定位于細(xì)胞核。在受到脂聯(lián)素刺激時，PP2A 活性增高，PKCζ活性降低，LKB1 的Ser307 位點(diǎn)磷酸化程度降低，LKB1 更多地聚積在胞漿中，從而利于與APPL1 結(jié)合并激活A(yù)MPK[24]。除了協(xié)調(diào)代謝外，APPL1-AMPK 信號通路還對細(xì)胞凋亡有影響。糖尿病心肌病是糖尿病最常見的并發(fā)癥之一。有證據(jù)顯示，作為一種能促進(jìn)胰島素分泌的激素，胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide 1，GLP-1）對心血管疾病也有保護(hù)作用。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過12周艾塞那肽（exenatide，GLP-1激動劑）注射，鏈脲佐菌素（Streptozotocin，STZ）誘導(dǎo)T2DM 大鼠心肌脂聯(lián)素及HMW-脂聯(lián)素表達(dá)增加，且APPL1 蛋白水平增高，AMPK磷酸化水平增加，心肌細(xì)胞凋亡減弱，心臟功能得到改善[25]。這表明艾塞那肽能通過APPL1-AMPKPPARα信號軸抑制糖尿病大鼠心肌細(xì)胞凋亡。

盡管上述離體和在體實(shí)驗(yàn)肯定了APPL1對AMPK通路的激活作用，然而Cleasby等的在體研究卻產(chǎn)生了與之相矛盾的結(jié)果。該課題組發(fā)現(xiàn)，盡管APPL1 過表達(dá)大鼠骨骼肌中可見糖原合成和貯存增加，且IRS1、Akt、GSK3β及TBC1D4的磷酸化水平增加，然而AMPK和乙酰輔酶A 羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）的磷酸化水平卻降低[9]。這表明，APPL1介導(dǎo)的胰島素信號通路和脂聯(lián)素信號通路的作用未必依賴于AMPK。與此相類似，抑制APPL1 表達(dá)不影響二甲雙胍誘導(dǎo)的AMPK 磷酸化，這表明二甲雙胍刺激誘導(dǎo)的AMPK磷酸化也是不依賴于APPL1的[24]。此外，盡管多數(shù)研究支持高脂膳食干預(yù)導(dǎo)致脂肪組織、肝臟和骨骼肌發(fā)生胰島素抵抗和脂聯(lián)素抵抗，且APPL1 蛋白含量顯著降低[22]，然而也有少數(shù)研究顯示，高脂膳食干預(yù)并未影響骨骼肌APPL1/2、AdipoR1/2、pAMPK 和pACC的蛋白含量[26]。

除AMPK 外，尚有其它分子也參與APPL1 介導(dǎo)的脂聯(lián)素信號通路。例如Rab5，作為一種小GTP 酶也能與APPL1 發(fā)生相互作用，并以胰島素依賴的形式調(diào)節(jié)GLUT4轉(zhuǎn)運(yùn)。研究顯示，Rab5能直接與APPL1的BAR域發(fā)生聯(lián)系，且脂聯(lián)素干預(yù)能加深Rab5和APPL1間的聯(lián)系。Rab5 對APPL1 介導(dǎo)脂聯(lián)素信號通路可能也很重要[23]。此外，有研究認(rèn)為，肝臟細(xì)胞中APPL1-SIRT1-STAT3 通路也可能參與介導(dǎo)脂聯(lián)素信號[27]。證據(jù)顯示，在施加脂聯(lián)素干預(yù)時，APPL1-SIRT1 結(jié)合增加，SIRT1-STAT3結(jié)合減弱，APPL1因此促進(jìn)STAT3發(fā)生磷酸化和乙酰化，導(dǎo)致磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase， PEPCK） 的mRNA 和蛋白表達(dá)以及葡萄糖6 磷酸酶（glucose 6 phosphatase，G6Pase）的蛋白水平降低，葡萄糖激酶的mRNA水平增高[27]。

除了常見的高脂膳食誘導(dǎo)胰島素抵抗模型以及糖尿病模型外，APPL1 在其它疾病發(fā)生發(fā)展中的作用也有所探及。例如，多囊卵巢綜合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）是一種與代謝紊亂、胰島素抵抗和高胰島素血癥相關(guān)的疾病。一項(xiàng)對不孕女性顆粒細(xì)胞的研究顯示，PCOS 患者APPL1、IR、脂聯(lián)素和AdipoR1/2的mRNA 表達(dá)均顯著低于對照組，且上述指標(biāo)的下調(diào)可能與PCOS 的發(fā)生發(fā)展有關(guān)聯(lián)[28]。非酒精性脂肪肝（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）與肥胖、胰島素抵抗和糖尿病等病理狀態(tài)密切相關(guān)，NAFLD 會導(dǎo)致肌肉、肝臟以及脂肪組織的胰島素敏感性降低。滲透蛋白（osmotin）是脂聯(lián)素的同系物。研究顯示，滲透蛋白在ob/ob小鼠和db/db小鼠中會激活A(yù)dipoR1/R2及其下游APPL1/PPAR-α/AMPK/SIRT1 信號通路，從而阻礙NAFLD的發(fā)生[29]。

選擇性剪切（alternative splicing）指在基因表達(dá)過程中，單個基因編碼多種蛋白。APPL1 的一種選擇性剪切體APPL1sv 在小鼠肝臟中高度表達(dá)，且在胰腺和脾臟中也有所表達(dá)。與APPL1 相反，APPL1sv 的表達(dá)水平與小鼠的胰島素敏感性呈負(fù)相關(guān)——即：在熱量限制小鼠的肝臟中表達(dá)降低，而在db/db小鼠肝臟中表達(dá)顯著增加[11]。抑制高脂喂養(yǎng)小鼠肝臟APPL1sv 表達(dá)會導(dǎo)致胰島素敏感性增高，肝臟葡萄糖生成減少。這表明APPL1sv 能抑制肝臟胰島素敏感性，且該作用是通過調(diào)控脂聯(lián)素信號通路實(shí)現(xiàn)的[11]。

鑒于脂聯(lián)素信號通路對胰島素抵抗改善的重要性，研究人員也在積極開發(fā)脂聯(lián)素模擬分子，ADP-1就是其中較新的一種。研究顯示，ADP-1 通過誘導(dǎo)AP?PL1 和Rab5 發(fā)生關(guān)聯(lián)激活A(yù)MPK 通路，促進(jìn)大鼠骨骼肌細(xì)胞GLUT4 轉(zhuǎn)位和葡萄糖攝取[30]。在體實(shí)驗(yàn)也表明，ADP-1能促進(jìn)db/db大鼠胰島β細(xì)胞分泌胰島素，從而達(dá)到降血糖的目的[30]。

4 APPL1對胰島素分泌的影響

盡管T2DM 以胰島素抵抗為發(fā)病特征，然而在很多案例中，T2DM患者的胰島素分泌功能也受到部分損害。APPL1 對調(diào)控胰島素敏感性的作用已有所揭示，然而其對胰島素分泌作用的研究則開展較晚。APPL1在胰島β細(xì)胞中表達(dá)豐富，而在高脂膳食喂養(yǎng)小鼠和db/db 小鼠中則表達(dá)降低[31，32]。1 型糖尿病小鼠胰島APPL1 的表達(dá)也顯著下降?；蚯贸鼳PPL1 會加重STZ 誘導(dǎo)1 型糖尿病小鼠β細(xì)胞丟失和胰島炎，而AP?PL1 過表達(dá)則能緩解上述表現(xiàn)。在胰島和大鼠β細(xì)胞中，APPL1缺陷導(dǎo)致胞吐機(jī)制中的關(guān)鍵蛋白SNARE 表達(dá)顯著降低，同時胰島素刺激下Akt 的激活水平也下降，這表明APPL1 能通過Akt 依賴的通路協(xié)助胰島素顆粒胞吐[31]。此外，APPL1還能通過減少β細(xì)胞凋亡維持β細(xì)胞的質(zhì)量。當(dāng)APPL1缺陷時，炎癥因子誘導(dǎo)NFκB抑制蛋白（inhibitor of NF-κB ，IκBα）的磷酸化，隨后p65轉(zhuǎn)錄激活，從而促進(jìn)NF-κB誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[33]。

胰島β細(xì)胞的線粒體功能也受到APPL1 調(diào)節(jié)。APPL1敲除INS-1細(xì)胞中可見線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mi?tochondrial transcription factor A，TFAM）和PGC-1α的基因表達(dá)下調(diào)，表明APPL1 對于維持線粒體生物發(fā)生相關(guān)的基因表達(dá)很重要。葡萄糖刺激的氧耗率（oxy?gen consumption rate，OCR），線粒體最大呼吸能力以及高糖誘導(dǎo)的ATP生成在APPL1敲除INS-1細(xì)胞中均顯著降低。此外，APPL1敲除小鼠胰島β細(xì)胞的線粒體呈現(xiàn)腫脹，且可見線粒體嵴結(jié)構(gòu)紊亂[32]。

5 運(yùn)動對APPL1 表達(dá)的干預(yù)作用及對改善胰島素抵抗的可能影響

5.1 機(jī)械拉伸下APPL1的作用

無論是基于健康人群還是代謝綜合征患者，橫斷面研究和縱向研究均指向運(yùn)動干預(yù)能改善其胰島素抵抗程度，然而相關(guān)分子機(jī)制并未完全明了[35]。

骨骼肌和脂肪組織是餐后葡萄糖攝取發(fā)生的主要場所，且GLUT4在這兩個部位高度表達(dá)。已知，施加胰島素、脂聯(lián)素、運(yùn)動或機(jī)械拉伸等干預(yù)措施均能導(dǎo)致GLUT4 轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜。通常情況下，上述過程由AMPK 或Akt 依賴的信號通路介導(dǎo)[23，36]。然而，作為一種特殊的“運(yùn)動”，機(jī)械拉伸導(dǎo)致葡萄糖攝取增加的機(jī)制并不清楚。Saito 等的一項(xiàng)研究認(rèn)為，過表達(dá)APPL1可能通過除AMPK 和Akt 以外的其它通路介導(dǎo)機(jī)械拉伸所致的GLUT4 轉(zhuǎn)位。結(jié)果顯示，在對C2C12 肌管細(xì)胞進(jìn)行機(jī)械拉伸時，APPL1 敲除會抑制葡萄糖攝取。此外，APPL1 誘導(dǎo)的葡萄糖攝取增加是由PKCζ介導(dǎo)的，而不是Akt或AMPK。在APPL1過表達(dá)的C2C12肌管細(xì)胞中，p-PKCζ與PP2A 在基礎(chǔ)狀態(tài)下是相結(jié)合的。當(dāng)施加機(jī)械拉伸時，p-PKCζ與PP2A分離，并與非肌肌球蛋白Ⅱa相結(jié)合，從而促進(jìn)葡萄糖攝取[36]。上述研究證實(shí)了機(jī)械拉伸誘導(dǎo)的葡萄糖攝取是非胰島素依賴的，且傳統(tǒng)的AMPK、PI3K-Akt 及Ca2+-CaMK（calmodulin-dependent kinase，鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶）等信號分子和通路并非該實(shí)驗(yàn)條件下葡萄糖攝取的原因。

圖2 APPL1介導(dǎo)的胰島素抵抗相關(guān)信號通路（參考Liu et al. 2017[2]及Park & Ahima 2014[34]制作）

5.2 APPL1在急性/短期運(yùn)動反應(yīng)中的作用

盡管運(yùn)動對胰島素抵抗的改善作用主要是通過長期運(yùn)動訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)的，然而也有研究顯示，急性運(yùn)動也足以增加APPL1的表達(dá)水平。

在對Swiss 小鼠進(jìn)行高脂膳食和急性跑臺運(yùn)動干預(yù)后發(fā)現(xiàn)，高脂肥胖小鼠血清脂聯(lián)素水平降低，而一次性運(yùn)動即能恢復(fù)其水平[21]。此外，肥胖小鼠下丘腦AP?PL1的蛋白含量降低，且能在急性運(yùn)動后得以恢復(fù)。作為對胰島素信號發(fā)揮相反作用的兩種蛋白，TRB3 和Akt 在下丘腦中的表達(dá)呈現(xiàn)相反的變化趨勢，其中，前者在運(yùn)動后有下降趨勢（－59%），后者則顯著上升。上述結(jié)果表明，急性運(yùn)動能顯著增加下丘腦APPL1 的表達(dá)和Akt 活性，且這可能與肥胖小鼠在急性運(yùn)動后24 h 食欲顯著降低有關(guān)。除跑臺運(yùn)動外，急性游泳運(yùn)動也對肥胖大鼠海馬產(chǎn)生類似的作用。在一次性長時間游泳運(yùn)動后，大鼠海馬中TRB3和Akt 之間的聯(lián)系受到破壞，Akt 從而被釋放出來，參與胰島素信號對抑制食欲的作用[37]。

盡管若干研究顯示，抗阻訓(xùn)練也能提高T2DM 病人的胰島素敏感性，然而其機(jī)制并不明確。一項(xiàng)基于T2DM大鼠的研究發(fā)現(xiàn)，急性抗阻運(yùn)動能增加Sprague-Dawley 大鼠骨骼肌AMPKα、CAMKII 和p38 MAPK 的磷酸化水平以及APPL1的mRNA 表達(dá)水平[38]。此外，7天爬梯運(yùn)動也能顯著增加高脂喂養(yǎng)Swiss小鼠肝臟AP?PL1 的表達(dá)水平，并改善胰島素敏感性[39]。然而，肝臟AdipoR1和AdipoR2的含量未發(fā)生顯著變化。

然而，也有研究顯示，某些短期運(yùn)動干預(yù)不會顯著改變APPL1的蛋白水平。衰老往往伴隨著葡萄糖耐受性降低，而運(yùn)動是減緩衰老相關(guān)功能衰退的重要干預(yù)手段。Canciglieri 等發(fā)現(xiàn)，盡管為期6 天的短期跑臺運(yùn)動干預(yù)使得年老大鼠空腹血糖降低，葡萄糖耐受性提高，且骨骼肌Akt 活性增加，然而腓腸肌中APPL1蛋白含量卻未發(fā)生顯著變化[40]。事實(shí)上，無論是衰老還是短期運(yùn)動均未影響腓腸肌中APPL1 和TRB3 的蛋白表達(dá)。然而，衰老卻伴隨著骨骼肌APPL2的表達(dá)增加，且短期運(yùn)動能減弱其變化，推測這可能與APPL2 能阻止TBC1D1 的磷酸化，進(jìn)而阻礙GLUT4 的轉(zhuǎn)位及葡萄糖攝取有關(guān)。因此，除APPL1外，APPL2也可能是介導(dǎo)運(yùn)動效應(yīng)的關(guān)鍵蛋白。作為APPL1 的同工型，APPL2 在骨骼肌中高度表達(dá)，且一般認(rèn)為兩者的功能部分沖突[41，42]。Gulli 等也有類似的發(fā)現(xiàn)。他們觀察到，1 周或2周的跑臺訓(xùn)練能改善胰島素反應(yīng)，然而，卻并未顯著影響比目魚肌APPL1/2、AdipoR1/2、pAMPK 和pACC 的蛋白含量，這表明運(yùn)動對胰島素反應(yīng)的改善未必依賴于脂聯(lián)素反應(yīng)和APPL1[26]。

5.3 APPL1在長期運(yùn)動干預(yù)適應(yīng)中的作用

除上述急性和短期運(yùn)動干預(yù)外，另有幾項(xiàng)研究探索了長期運(yùn)動訓(xùn)練對APPL1介導(dǎo)胰島素抵抗的干預(yù)作用。

研究顯示，8周游泳訓(xùn)練能刺激肥胖小鼠肝臟胰島素信號通路，促進(jìn)Akt 磷酸化，增加肝臟APPL1蛋白表達(dá)并下調(diào)TRB3蛋白表達(dá)[43]。此外，游泳訓(xùn)練能恢復(fù)肥胖導(dǎo)致的Foxo1磷酸化水平降低，減弱高脂膳食導(dǎo)致的FOXO1-PGC-1α關(guān)聯(lián)增加，以及GSK3β磷酸化水平降低[43]。

聚焦于脂肪組織和骨骼肌的研究也得到了類似的結(jié)果。Farias等發(fā)現(xiàn)，高脂喂養(yǎng)小鼠脂肪和骨骼肌中的AdipoR1和APPL1以及肝臟中的AdipoR2均顯著下調(diào)，且12周游泳運(yùn)動干預(yù)能部分改善胰島素抵抗、脂肪和骨骼肌中APPL1蛋白下調(diào)以及AdipoR表達(dá)降低[22]。

除了有氧訓(xùn)練外，抗阻訓(xùn)練也能影響T2DM 模型APPL1的表達(dá)水平。與健康大鼠相比，T2DM大鼠骨骼肌的APPL1 表達(dá)顯著降低，而6 周抗阻訓(xùn)練能顯著增加骨骼肌中p-Akt、p-GSK3β水平以及APPL1的蛋白表達(dá)[38]。上述研究結(jié)果為耐力訓(xùn)練和抗阻訓(xùn)練改善高脂膳食動物和T2DM 模型動物組織胰島素敏感性指出了新機(jī)制。

除基于動物模型的實(shí)驗(yàn)外，還有研究探索了不同運(yùn)動習(xí)慣的人APPL1 的表達(dá)情況。結(jié)果顯示，沒有運(yùn)動習(xí)慣的被試者骨骼肌AdipoR2 和APPL1 的mRNA 表達(dá)比有運(yùn)動習(xí)慣的被試者低[44]。此外，2個月運(yùn)動訓(xùn)練導(dǎo)致體瘦被試者血清總脂聯(lián)素和高分子量脂聯(lián)素含量分別降低32%和42%；肥胖被試者血清總脂聯(lián)素和高分子量脂聯(lián)素含量分別降低26%和35%。而有運(yùn)動習(xí)慣的被試者停止運(yùn)動1個月會導(dǎo)致血清總脂聯(lián)素和高分子量脂聯(lián)素分別增高25%和27%[44]。上述脂聯(lián)素結(jié)果看似與預(yù)期相反，然而需要指出的是，血清脂聯(lián)素的含量在運(yùn)動后可能增高、降低或不變。因此，運(yùn)動對血清脂聯(lián)素水平的影響并不一定能反映其對組織胰島素敏感性的作用。

6 總結(jié)

綜上所述，作為一種關(guān)鍵銜接蛋白，APPL1通過參與胰島素信號通路和脂聯(lián)素信號通路改善胰島素抵抗，相關(guān)生物學(xué)機(jī)制已較完善。然而，運(yùn)動干預(yù)對不同組織APPL1 表達(dá)水平的影響，以及APPL1 介導(dǎo)運(yùn)動改善胰島素抵抗的相關(guān)研究還較少。以下問題值得進(jìn)一步探索：1）尚缺乏采用APPL1 敲除鼠進(jìn)行運(yùn)動干預(yù)的研究，因此，目前沒有直接證據(jù)表明APPL1介導(dǎo)了運(yùn)動對胰島素抵抗的改善作用；2）現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，不同方式的急性運(yùn)動（跑臺、游泳）和長期運(yùn)動訓(xùn)練（游泳、跑臺、抗阻）能提高不同組織（肝臟、下丘腦、海馬、骨骼肌、脂肪）中APPL1 的表達(dá)含量，且胰島素信號通路關(guān)鍵分子Akt 的表達(dá)相應(yīng)提高，Akt 的抑制物TRB3的表達(dá)顯著降低，這從側(cè)面印證了APPL1 介導(dǎo)運(yùn)動改善胰島素抵抗的作用。然而，部分基于短期運(yùn)動干預(yù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則顯示，盡管運(yùn)動能改善機(jī)體葡萄糖耐受性和組織胰島素信號，然而APPL1 的含量卻未發(fā)生變化。為何不同持續(xù)時間的運(yùn)動干預(yù)導(dǎo)致APPL1的表達(dá)水平呈現(xiàn)不同的變化趨勢？在運(yùn)動干預(yù)背景下，脂聯(lián)素是否具有強(qiáng)化胰島素信號通路的作用？這些都是未來的探索方向。