模式生物黑腹果蠅在高糖誘導(dǎo)代謝綜合征研究中的應(yīng)用進(jìn)展

吳棋芳 何 丹 吳明江 佟海濱

溫州大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江溫州 325000

代謝綜合征（metabolic syndrome，MetS）是指胰島素抵抗、肥胖、血脂異常、高血壓、高尿酸血癥等多種代謝危險(xiǎn)因素同時(shí)發(fā)生的綜合征；也是一種病理生理狀態(tài)，包括2型糖尿病（type 2 diabetes，T2D）、非酒精性脂肪肝、痛風(fēng)、心血管疾病與慢性腎臟疾病等[1-2]。研究表明，隨著人們飲食結(jié)構(gòu)的變化，高糖飲食（high sugar diet，HSD）已經(jīng)成為導(dǎo)致代謝綜合征發(fā)病率逐年增長(zhǎng)的重要危險(xiǎn)因素之一[3]。

糖代謝對(duì)細(xì)胞能量平衡和生物合成至關(guān)重要。從食物中攝取的糖類，一部分直接轉(zhuǎn)化為能量供機(jī)體使用，其余則以糖原和脂肪形式儲(chǔ)存[4]。然而糖攝入過(guò)量會(huì)破壞體內(nèi)的代謝穩(wěn)態(tài)，從而引發(fā)一系列的代謝性疾病，嚴(yán)重影響人類生命健康。

建立科學(xué)、穩(wěn)定的動(dòng)物模型有助于深入研究代謝綜合征的發(fā)病機(jī)制并制定科學(xué)的干預(yù)策略。目前，嚙齒類動(dòng)物是研究代謝綜合征應(yīng)用最廣泛的模式生物，常用的造模方法包括飲食誘導(dǎo)、化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)、外科手術(shù)和基因敲除[5]。食物誘導(dǎo)模型可模擬環(huán)境因素，成模率較高，但其造模時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)物接受度差、個(gè)體差異大，導(dǎo)致模型不穩(wěn)定；化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)模型是通過(guò)給予特定的化學(xué)物質(zhì)，如鏈脲佐菌素、四氧嘧啶、地塞米松等造模，操作簡(jiǎn)單、成模率高，但與代謝綜合征的病理成因不同，局限性較大；基因敲除建模是借助基因工程技術(shù)修飾特定基因以獲得代謝紊亂表型，但代謝綜合征是環(huán)境因素與多基因互作的結(jié)果，且技術(shù)和成本較高、研制周期長(zhǎng)。因此，選擇合適的模型對(duì)于代謝綜合征的研究顯得尤為重要。

黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）是重要的模式生物，具有生長(zhǎng)周期短、操作簡(jiǎn)便、繁殖力強(qiáng)、基因組與人類同源性高等特點(diǎn)。另外，果蠅的主要代謝途徑與哺乳動(dòng)物具有高度的保守性，這也使其成為研究人類代謝疾病的良好模式生物。因此，本文整理了近年來(lái)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)果蠅的糖代謝機(jī)制以及高糖誘導(dǎo)代謝綜合征的果蠅模型加以綜述。

1 果蠅的糖代謝與調(diào)控途徑

早在20世紀(jì)初，有研究將果蠅作為研究對(duì)象，創(chuàng)立了基因?qū)W說(shuō)[6]。經(jīng)過(guò)了一個(gè)世紀(jì)的研究，果蠅已成為生命科學(xué)領(lǐng)域中經(jīng)典的模式生物。研究表明，果蠅與哺乳動(dòng)物的能量代謝器官在生物進(jìn)化上高度保守。果蠅存在與人體相似的代謝器官[7]，如心臟、脂肪體、血淋巴等，見表1、圖1。

表1 果蠅和人的代謝相關(guān)器官/組織比較

圖1 果蠅身體構(gòu)造圖

1.1 糖代謝過(guò)程

果蠅與哺乳動(dòng)物維持能量平衡的調(diào)控方式相近[8]。在哺乳動(dòng)物中，當(dāng)體內(nèi)能量充足時(shí)，多余的葡萄糖會(huì)以糖原的形式儲(chǔ)存在骨骼肌和肝臟中；當(dāng)能量缺乏時(shí)，儲(chǔ)存的肝糖原就會(huì)被動(dòng)員和釋放，同時(shí)進(jìn)行糖異生作用。糖代謝受胰島素和胰高血糖素的調(diào)節(jié)，這兩種激素相互拮抗，以維持體內(nèi)葡萄糖穩(wěn)態(tài)。當(dāng)循環(huán)中葡萄糖水平升高時(shí)，胰島β細(xì)胞釋放胰島素，刺激細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取和儲(chǔ)存；相反，當(dāng)循環(huán)中葡萄糖水平降低時(shí)，胰島α細(xì)胞釋放胰高血糖素，促進(jìn)糖原分解和糖異生作用，并抑制胰島素分泌。

在果蠅中，食物中的糖分被腸道內(nèi)的糖苷酶分解為單糖，單糖經(jīng)消化道吸收到脂肪體中，并轉(zhuǎn)化為一種非還原性二糖-海藻糖[9]。血淋巴中葡萄糖含量極低，大約是海藻糖含量的百分之一[10]，海藻糖是果蠅體內(nèi)主要的循環(huán)糖，可以被儲(chǔ)存或釋放到血淋巴中。在果蠅體內(nèi)有類似人體血糖調(diào)節(jié)功能的激素，分別為胰島素樣肽（drosophilainsulinlike proteins，Dilps）和脂肪運(yùn)動(dòng)激素（adipokinetic hormone，AKH）。胰島素樣肽是由大腦中類似胰島β細(xì)胞的胰島素分泌細(xì)胞（insulin-like peptide producing cells，IPCs）分 泌[11-12]；脂 肪 運(yùn) 動(dòng) 激素是由類似胰島α細(xì)胞的環(huán)腺心側(cè)體（corpora cardiaca，CC）分泌[13-14]。兩種激素來(lái)源不同，相互拮抗，以維持血糖穩(wěn)態(tài)。

1.2 胰島素樣肽

果蠅有8種胰島素樣肽（Dilp1-8）[15]。Dilps在幼蟲階段調(diào)節(jié)生長(zhǎng)發(fā)育；在成蟲階段主要維持機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)，調(diào)節(jié)繁殖力和壽命等[16]。與哺乳動(dòng)物胰島素功能相似的是Dilp2、Dilp3、Dilp5，其中以Dilp2最為相似[17]。Teleman等[18]發(fā)現(xiàn)當(dāng)果蠅處于饑餓狀態(tài)時(shí)，Dilp2、Dilp3、Dilp5表達(dá)水平顯著下降，這一現(xiàn)象與哺乳動(dòng)物胰島素含量變化趨勢(shì)一致。Gr?nke等[19]發(fā)現(xiàn) Dilp2、Dilp3、Dilp5三種突變體果蠅在生長(zhǎng)發(fā)育方面表現(xiàn)出嚴(yán)重的遲緩。Dilp2、Dilp3、Dilp5三者功能有所不同，Dilp2主要調(diào)節(jié)體內(nèi)海藻糖水平[19]，Dilp3負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖[20]，而Dilp5參與調(diào)控果蠅生長(zhǎng)發(fā)育[21]。

1.3 果蠅胰島素信號(hào)通路

胰島素信號(hào)通路在調(diào)節(jié)代謝方面起著至關(guān)重要的作用。在果蠅中，Dilps可以通過(guò)與細(xì)胞膜上的胰島素受體（insulin receptor，InR）結(jié)合而被激活（圖2）。在細(xì)胞內(nèi)，信號(hào)被一種叫做 Chico的胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K），將 磷 脂 酰肌 醇 3，4- 二 磷 酸 [phosphatidylinositol（3，4）-bisphosphate，PIP2]轉(zhuǎn)化為磷脂酰肌醇（3，4，5）- 三磷 酸 [phosphatidylinositol（3，4，5）-trisphosphate，PIP3]。PIP3刺激丙酮酸脫氫酶激酶（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK）并激活蛋白激酶B（protein kinase B，AKT/PKB），進(jìn) 而 磷 酸 化 FOXO（forkhead box protein O）抑制其入核。相反，饑餓條件下，F(xiàn)OXO會(huì)去磷酸化并進(jìn)入細(xì)胞核，在細(xì)胞核中調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)[22]。從分子和遺傳學(xué)的角度看，果蠅胰島素信號(hào)通路在結(jié)構(gòu)和功能水平上與人類有著高度的相似性。

圖2 果蠅胰島素信號(hào)通路圖

2 果蠅代謝綜合征模型

2.1 糖脂代謝紊亂模型

糖脂代謝紊亂性疾病已成為全球性的公共衛(wèi)生問題，其危害在于長(zhǎng)期糖、脂代謝水平異常導(dǎo)致全身器官功能衰退[23]。隨著人們飲食結(jié)構(gòu)的變化，高糖飲食逐漸成為目前糖脂代謝紊亂性疾病大流行的主要原因之一。

當(dāng)果蠅攝入富含糖類的食物時(shí)，其體內(nèi)多余的葡萄糖被轉(zhuǎn)化為三酰甘油儲(chǔ)存[24]。Buescher等利用雌性果蠅來(lái)評(píng)價(jià)高糖飲食對(duì)其糖脂代謝的影響[25]，在添加1mol/L蔗糖的培養(yǎng)基中培養(yǎng)雌性果蠅7d，發(fā)現(xiàn)高糖組果蠅體重低于對(duì)照組，但其海藻糖、糖原及三酰甘油含量顯著增加，導(dǎo)致體脂比顯著增加。因此，7d的高糖飲食引起雌性果蠅糖脂代謝紊亂。Rovenko等[26]發(fā)現(xiàn)在高蔗糖培養(yǎng)基中，果蠅幼蟲消耗食物量少于對(duì)照組，蛹化速率減慢，蛹的死亡率增加，脂質(zhì)和糖原水平顯著提高。Musselman等[27]發(fā)現(xiàn)經(jīng)高蔗糖培養(yǎng)基喂養(yǎng)后，果蠅脂肪體中脂肪儲(chǔ)存增加，脂滴明顯增大，同時(shí)果蠅體內(nèi)甘油三酯和游離脂肪酸的水平明顯增加。采用高果糖喂養(yǎng)的果蠅幼蟲也出現(xiàn)了三酰甘油水平、尿酸水平增加，蛹化速率減慢，蛹的死亡率增加等糖脂代謝紊亂表型[28]。

2.2 胰島素抵抗和2型糖尿病模型

胰島素抵抗，會(huì)擾亂胰島素效應(yīng)組織的代謝平衡。骨骼肌和脂肪組織的胰島素抵抗會(huì)抑制葡萄糖攝取，導(dǎo)致血漿中的葡萄糖滯留；肝臟胰島素抵抗會(huì)導(dǎo)致肝臟葡萄糖過(guò)度合成，使血糖水平升高。高糖飲食會(huì)導(dǎo)致嚙齒類動(dòng)物出現(xiàn)高血糖和胰島素抵抗的癥狀[29]。高糖誘導(dǎo)果蠅胰島素抵抗的發(fā)生機(jī)制與哺乳動(dòng)物相類似。高糖喂養(yǎng)果蠅幼蟲會(huì)導(dǎo)致Dilp2、Dilp3、Dilp5表達(dá)量的增加，同時(shí)循環(huán)糖水平升高，與哺乳動(dòng)物胰島素抵抗的特征相似。另外，高糖飲食喂養(yǎng)的果蠅，給予外源胰島素刺激后，并未顯著增加AKT磷酸化水平，表明長(zhǎng)期高糖飲食喂養(yǎng)，會(huì)抑制胰島素信號(hào)敏感性[27]。

2型糖尿?。═2D）早期階段是以胰島素抵抗為主要病理特征。越來(lái)越多的證據(jù)表明果蠅非常適合用于胰島素抵抗和T2D的發(fā)生發(fā)展機(jī)制的研究[27]。有研究已經(jīng)初步建立了果蠅高糖飲食模型，并用于研究飲食對(duì)T2D發(fā)生發(fā)展的影響[30]。Michael等用高蔗糖培養(yǎng)基喂養(yǎng)野生型果蠅幼蟲，其蔗糖含量是正常培養(yǎng)基的7倍。高糖喂養(yǎng)的幼蟲血淋巴中循環(huán)葡萄糖和海藻糖水平顯著升高，幼蟲出現(xiàn)發(fā)育遲緩、脂肪積累增加等病理表型。當(dāng)給幼蟲注射哺乳動(dòng)物胰島素后，僅能部分恢復(fù)AKT磷酸化水平，未能完全恢復(fù)受損的胰島素應(yīng)答，這表明果蠅幼蟲出現(xiàn)了胰島素抵抗癥狀，同時(shí)幼蟲體內(nèi)Dilp2的表達(dá)量與海藻糖含量的升高相適應(yīng)，這種表型類似人類高胰島素血癥[31]。此外，通過(guò)RNA-Seq分析發(fā)現(xiàn)，模型中FOXO轉(zhuǎn)錄因子的靶基因上調(diào)，這與在胰島素抵抗小鼠和T2D患者中所觀察到的肝糖異生現(xiàn)象結(jié)果一致[31]。Pasco等[32]利用熱量為1636千卡/L的高蔗糖培養(yǎng)基喂養(yǎng)果蠅幼蟲進(jìn)行類似研究，也得到了相同的結(jié)論。長(zhǎng)期高糖飲食會(huì)導(dǎo)致幼蟲高血糖、生長(zhǎng)遲緩、胰島素樣肽分泌增多和脂肪過(guò)度積累。同樣，高糖飲食的成蟲也表現(xiàn)出代謝功能障礙、胰島素樣肽表達(dá)量增加和胰島素信號(hào)活性下降等表型，這些表型與人類T2D診斷標(biāo)準(zhǔn)相吻合。高糖飲食誘導(dǎo)的果蠅模型展現(xiàn)出比IPCs移除果蠅更嚴(yán)重的高血糖表型[13，33]。

胰島素抵抗最終會(huì)導(dǎo)致應(yīng)激JNK（jun-N-terminal kinase）級(jí)聯(lián)的靶基因的誘導(dǎo)[27]。Pasco 和Leopold同樣發(fā)現(xiàn)高糖飲食引起的果蠅胰島素抵抗，可以通過(guò)抑制脂質(zhì)運(yùn)載蛋白Nlaz（Neural Lazarillo）的表達(dá)所逆轉(zhuǎn)[32]。Nlaz已被證明是JNK的下游，它是一種與視黃醇結(jié)合蛋白4同源的分泌蛋白，視黃醇結(jié)合蛋白4參與人類和小鼠T2D的發(fā)生發(fā)展。Nlaz基因在高糖培養(yǎng)的果蠅幼蟲中表達(dá)上調(diào)[32]。沉默或干擾Nlaz基因表達(dá)可以修復(fù)高糖誘導(dǎo)果蠅幼蟲出現(xiàn)的代謝紊亂。這些從高糖誘導(dǎo)果蠅糖尿病模型中獲得的研究證據(jù)有助于在哺乳動(dòng)物中進(jìn)行機(jī)制的驗(yàn)證以及治療方案的制訂。

2.3 高尿酸血癥模型

高尿酸血癥是一種慢性代謝性疾病，主要是由尿酸的生成增多和排泄途徑受阻所導(dǎo)致[34]。近年來(lái)，大量研究表明，尿酸的增高不僅僅是痛風(fēng)發(fā)生的主要誘因，而且與其他代謝疾病，如高胰島素血癥、高血壓、糖尿病、心血管疾病等有著密切的聯(lián)系[35-36]。Dam等通過(guò)調(diào)節(jié)體內(nèi)水的代謝平衡[37]，揭示了高糖飲食會(huì)造成果蠅出現(xiàn)類似糖尿病表型，并縮短了果蠅壽命。糖是嘌呤降解途徑所必需的，尿酸是嘌呤的最終代謝產(chǎn)物，嘌呤代謝紊亂會(huì)導(dǎo)致尿酸含量升高，并以腎結(jié)石的形式積累。研究人員在高糖飲食的果蠅體內(nèi)發(fā)現(xiàn)腎小管結(jié)石，作者通過(guò)測(cè)定果蠅血淋巴循環(huán)尿酸含量，發(fā)現(xiàn)高糖飲食導(dǎo)致血淋巴循環(huán)尿酸水平升高，并進(jìn)一步證實(shí)了高糖飲食引起嘌呤分解代謝失調(diào)是導(dǎo)致尿酸積聚的主要原因。因此，高糖飲食會(huì)影響果蠅腎功能和嘌呤代謝，利用這一模型有助于探究高糖飲食與慢性腎臟疾病之間的聯(lián)系。

2.4 心臟病模型

果蠅是唯一一種心臟跳動(dòng)的無(wú)脊椎動(dòng)物模式生物，可用于研究心臟功能[38-39]。研究發(fā)現(xiàn)了果蠅心臟與脊椎動(dòng)物了共有基因?yàn)镸EF2（myocyte enhancer factor 2）、TGF-β（transforming growth factor-β）[40]。此外，盡管果蠅管狀心臟和開放的循環(huán)系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，但它們幾乎與脊椎動(dòng)物的心臟有著相同的生理機(jī)能。研究表明，與人類心律失常相關(guān)的HERG通道突變也會(huì)影響果蠅的心率和節(jié)律[41]。Na等結(jié)合飲食、遺傳學(xué)和生理學(xué)技術(shù)手段建立了一個(gè)成年果蠅高糖飲食誘導(dǎo)的心臟病模型，發(fā)現(xiàn)高糖飲食會(huì)造成果蠅心臟功能惡化并伴隨纖維化，如膠原堆積、脂肪堆積和胰島素信號(hào)傳導(dǎo)缺陷[42]。Birse等[43]發(fā)現(xiàn)高熱量飲食會(huì)增加果蠅體內(nèi)三酰甘油水平并改變心臟收縮模式，導(dǎo)致嚴(yán)重的心臟功能障礙。由此可見，果蠅在研究心臟疾病方面發(fā)揮了重要作用，為探討心臟功能提供了良好的模型平臺(tái)。

3 總結(jié)與展望

盡管脊椎動(dòng)物（主要是嚙齒類動(dòng)物）代謝綜合征模型具有普遍性和實(shí)用性，但其存在造模時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)和成本高等缺點(diǎn)。與之相比，果蠅具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)。該模式生物具有與哺乳動(dòng)物相似的胰島素信號(hào)通路和代謝相關(guān)基因，易于操作和使用、低成本、高繁殖力、進(jìn)化高度保守和同源基因背景，并且隨著分析技術(shù)的日益進(jìn)步彌補(bǔ)了果蠅作為小型模式生物的缺點(diǎn)，如全果蠅實(shí)時(shí)質(zhì)譜分析[44]，組織和血淋巴特異性質(zhì)譜分析[45]，基質(zhì)輔助激光解吸/電離質(zhì)譜成像對(duì)果蠅各器官進(jìn)行綜合脂質(zhì)成份分析[46]等，從而使果蠅系統(tǒng)被廣泛用于研究人類疾病。

目前，果蠅已被用于多種人類疾病的建模，這些模型揭示了果蠅和人類在代謝調(diào)控機(jī)制的諸多方面是相近的。果蠅具有保守的胰島素信號(hào)通路和激素調(diào)節(jié)途徑，可以通過(guò)高熱量飲食暴露使果蠅機(jī)體產(chǎn)生肥胖、胰島素抵抗、心臟相關(guān)疾病等，極大地促進(jìn)人類對(duì)代謝疾病發(fā)病機(jī)制的研究。同時(shí)，果蠅強(qiáng)大的遺傳優(yōu)勢(shì)和基因編輯技術(shù)（USA-GAL4二元表達(dá)系統(tǒng)）的運(yùn)用，使分子機(jī)制研究成為可能。建立以果蠅為模式生物的代謝綜合征研究體系，極大提高了藥物篩選效率，并使得高效開展藥物作用機(jī)制研究成為可能。