楊 丹姚 衢張 晗張 琳王 茜廖 鑫章 瑩李思成高 琳*
(1.遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院內(nèi)分泌科,貴州 遵義 563003;2.川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院健康管理中心,四川 南充 637000)
內(nèi)脂素(Visfatin)是一種主要表達(dá)于內(nèi)臟脂肪組織和(或)巨噬細(xì)胞的脂肪因子[1],可增加骨骼肌細(xì)胞中葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn),促進(jìn)葡萄糖攝取[2]。研究表明Visfatin在葡萄糖代謝和胰島素敏感性方面發(fā)揮作用,可能參與了2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)、胰島素抵抗(insulin resistance,IR)、肥胖、代謝綜合征和多囊卵巢綜合征等疾病的發(fā)生發(fā)展[3-5]。叉頭框轉(zhuǎn)錄因子1(forkhead box transcription factor 1,F(xiàn)oxO1)在骨骼肌中高表達(dá),當(dāng)?shù)鞍准っ窧(protein kinase B,PKB/Akt)磷酸化后,F(xiàn)oxO1的乙?;约胺核鼗绕渌g后修飾與磷酸化相互作用,從而影響其轉(zhuǎn)錄[6]。丙酮酸脫氫酶激酶4(pyruvate dehydrogenase kinase 4,PDK4)是FoxO1的下游靶基因,能夠調(diào)控糖酵解和糖異生途徑。研究證實(shí)Visfatin可通過調(diào)控PI3K/Akt信號途徑下游分子糖原合成酶激酶3β和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4的活性而促進(jìn)細(xì)胞對葡萄糖的攝取,改善糖脂代謝和IR[7-8],但Visfatin是否能作用于PI3K/Akt下游FoxO1/PDK4通路而在糖脂代謝及IR中發(fā)揮作用,目前鮮有報(bào)道。因此,本研究擬探討Visfatin在PI3K/Akt/FoxO1信號通路中對糖脂代謝及胰島素敏感性的影響,旨在為防治糖尿病及IR相關(guān)疾病提供新的研究思路。
10只8周齡SPF級雄性KKAy小鼠,體重為30.0 g左右,20只同周齡SPF級雄性C57BL/6J小鼠,體重為(20.0±2.0)g,連同高脂飼料均購于北京華阜康有限公司[SCXK(京)2019-0008],普通飼料由重慶騰鑫公司提供,喂養(yǎng)于重慶醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心[SYXK(渝)2018-0003],給予充足飼料和自由飲水,環(huán)境溫度(23±2)℃,濕度40%~60%,控制光照時(shí)間8:00~20:00。動物實(shí)驗(yàn)經(jīng)遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院動物實(shí)驗(yàn)倫理委員會審核批準(zhǔn)(KLLY-2018-075),并嚴(yán)格遵循實(shí)驗(yàn)動物使用的3R原則。
Visfatin重組蛋白(以色列PROSPEC公司);蛋白濃度測定試劑盒、蛋白裂解液及磷酸酶抑制劑(美國Thermo公司);脫脂奶粉、兔抗PI3K110α抗體、兔抗Akt抗體、兔抗p-Akt(Ser473)抗體、兔抗FoxO1抗體、兔抗p-FoxO1(Ser256)抗體及兔抗GAPDH抗體(美國CST公司);兔抗PDK4抗體、兔抗G6Pase抗體及兔抗PEPCK抗體(美國abcam公司);SDS-PAGE蛋白上樣緩沖液(5×)及SDS-PAGE凝膠配制試劑盒(江蘇碧云天生物公司);諾和靈R(丹麥諾和諾德);DEPC水(生工生物工程(上海)股份有限公司);TRIzol試劑(TaKaRa公司);cDNA逆轉(zhuǎn)錄試劑盒和2×SYBR Green qPCR master Mix(美國Bimake公司);戊巴比妥鈉(美國Sigma公司)和胰島素試劑盒(江蘇博深生物科技有限公司);膠成像系統(tǒng)(德國Analytik Jena公司);電泳槽及轉(zhuǎn)移槽(美國BIO-RAD公司);核酸蛋白濃度測定儀(杭州ALLSHENG公司);雅培血糖儀及配套試紙(英國Abbott公司);全自動生化儀(日本Olympus公司)。
1.3.1 造模及分組
C57BL/6J小鼠按照隨機(jī)數(shù)字表分為普通飼料組和高脂飼料組,喂養(yǎng)8周后,C57BL/6J小鼠普通飼料組隨機(jī)分為普食(ND)組和普食+內(nèi)脂素(ND+V)組,高脂飼料組隨機(jī)分為高脂(HFD)組和高脂+內(nèi)脂素(HFD+V)組;KKAy小鼠給予高脂飼料喂養(yǎng)8周后,連續(xù)2次空腹血糖(FBG)≥13.9 mmol/L定義為糖尿病模型[9],成模后的KKAy小鼠隨機(jī)分為糖尿病(DM)組和糖尿?。珒?nèi)脂素(DM+V)組;ND+V組、HFD+V組和DM+V組連續(xù)3 d腹腔注射重組內(nèi)脂素蛋白(6μg/kg)[8],其余各組腹腔注射等量生理鹽水,并于注射前后測定相關(guān)指標(biāo)(n=5)。
1.3.2 葡萄糖耐量實(shí)驗(yàn)(GTT)和胰島素耐量實(shí)驗(yàn)(ITT)
GTT:將小鼠禁食12 h,測定FBG后腹腔注射2 g/kg的20%葡萄糖溶液,于注射后15、30、60、90、120和180 min尾靜脈取血測血糖,并計(jì)算GTT曲線下面積(AUCGTT)[10]。GTT實(shí)驗(yàn)結(jié)束間隔1周后行ITT:將小鼠禁食6 h,然后腹腔注射0.75 U/kg的0.1 U/mL胰島素溶液后,測定6個(gè)時(shí)間點(diǎn)(0、15、30、60、90和120 min)血糖水平并計(jì)算AUCITT[11]。
1.3.3 標(biāo)本的采集
小鼠禁食后按50 mg/kg體重腹腔注射戊巴比妥鈉溶液麻醉,取血,室內(nèi)靜置30 min,3000 r/min離心15 min,移液器吸取上清于EP管中,-80℃超低溫冰箱保存。打開胸腹腔,用預(yù)冷的生理鹽水心臟灌注,直至肝變白為止,游離后肢骨骼肌組織,生理鹽水洗凈,濾紙吸干后存放于凍存管,于液氮中保存。
1.3.4 基礎(chǔ)指標(biāo)的測定
每周定期測定各組小鼠體重和攝食;采用血糖儀測定FBG(禁食6 h)和餐后血糖(PBG);采用全自動生化儀檢測小鼠血清中的甘油三酯(TG)、總膽固醇(TC)以及游離脂肪酸(FFA);采用酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)測定小鼠空腹血清胰島素(FIns);并計(jì)算穩(wěn)態(tài)模型評估胰島素抵抗指數(shù)(HOMA-IR),公式為(FBG×FIns)/22.5。
1.3.5 RT-qPCR反應(yīng)
用TRIzol提取骨骼肌組織總RNA,逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA,SYBR-Green熒光染料RT-qPCR檢測骨骼肌組織的 mRNA 表達(dá)。PI3K 上游引物 5’-CCCATGGGACAACATTCCAA-3’,下游引物5’-CATGG CGACAAGCTCGGTA-3’;Akt上游引物5’-TCAGGATGTGGATCAGCGAGA-3’,下游引物5’-CTGCAGGCAGCGGATGATAA-3’;FoxO1上游引物5’-AGAGTTAGTGAGCAGGCTACAT-3’,下 游引物5’-CCGCTGTTGCCAAGTCTGA-3’;β-actin上游引物5’-GGTGGGAATGGGTCAGAAGG-3’,下游引物5’-AGGTCTCAAACATGATCTGGGT-3’。
1.3.6 Western blot檢測
各組取適量骨骼肌組織置于冰上的勻漿器中,加入蛋白裂解液和蛋白磷酸酶抑制劑(100∶1)充分研磨,直至乳糜狀后轉(zhuǎn)移到EP管中,每隔5 min振蕩1次,共30 min,4℃離心10 min,吸取上清測定總蛋白濃度。另取上清與5×SDS-PAGE蛋白上樣緩沖液混合后沸水變性5 min,按照每孔40μg蛋白上樣進(jìn)行電泳分離,轉(zhuǎn)膜,5%脫脂奶粉封閉,一抗(濃度為1∶1000~1∶2000)4℃孵育搖床過夜,TBST溶液洗膜3次,加入二抗(濃度為1∶10000)室溫孵育1 h,洗膜后用ECL曝光顯影,VisionWorks軟件進(jìn)行分析條帶的灰度值。
所有數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,用SPSS 25.0軟件進(jìn)行分析,用GraphPad Prism 7和Photoshop軟件進(jìn)行作圖。多組間比較用單因素方差分析,兩組間比較方差齊時(shí)用LSD檢驗(yàn),方差不齊時(shí)用Dunnett’s T3檢驗(yàn),P<0.05有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
在喂養(yǎng)8周后,與ND組比較,HFD組和DM組小鼠體重顯著增高,DM組小鼠的攝食顯著增高;與HFD組比較,DM組小鼠體重和攝食均顯著增高(P<0.01)。與ND組和HFD組比較,DM組的FBG和PBG顯著增高(P<0.001)。見表1。
表1 喂養(yǎng)8周后三組小鼠的體重、攝食及血糖(±s,n=5)Table 1 Body weight,food intake and blood glucose in the three groups of mice after 8 weeks of feeded
表1 喂養(yǎng)8周后三組小鼠的體重、攝食及血糖(±s,n=5)Table 1 Body weight,food intake and blood glucose in the three groups of mice after 8 weeks of feeded
注:與ND組相比,a P<0.01,b P<0.001;與HFD組相比,c P<0.001。Note.Compared with ND group,a P<0.01,b P<0.001.Compared with HFD group,c P<0.001.
指標(biāo)Index普食組ND group高脂組HFD group糖尿病組DM group體重(g)Body wight 24.90±0.87 30.57±1.11a 41.12±1.58bc攝食(g/d)Food intake 2.51±0.27 2.22±0.17 7.05±0.36bc空腹血糖(mmol/L)FBG 5.76±0.92 7.60±1.03 25.68±6.41bc餐后血糖(mmol/L)PBG 7.60±0.88 9.02±0.73 31.16±4.28bc
2.2.1 血清生化指標(biāo)
與ND組比較,HFD組小鼠TC和FFA水平顯著增高(P<0.01),與ND組和HFD組比較,與ND組和HFD組比較,DM小鼠FBG、FIns、TC、TG、FFA和HOMA-IR水平均顯著增高(P<0.05)。與DM組相比,DM+V組的FBG、TC、TG和HOMA-IR顯著降低(P<0.05)。見表2。
表2 六組小鼠血清生化指標(biāo)(±s,n=5)Table 2 Serum biochemical parameters of mice in six groups
表2 六組小鼠血清生化指標(biāo)(±s,n=5)Table 2 Serum biochemical parameters of mice in six groups
注:與ND組相比,a P<0.05,b P<0.01;與HFD組相比,c P<0.01;與DM組相比,d P<0.05,e P<0.01。Note.Compared with ND group,a P<0.05,b P<0.01.Compared with HFD group,c P<0.01.Compared with DM group,d P<0.05,e P<0.01.
指標(biāo)Index普食組ND group普食+內(nèi)脂素組ND+V group高脂組HFD group高脂+內(nèi)脂素組HFD+V group糖尿病組DM group糖尿?。珒?nèi)脂素組DM+V group空腹血糖(mmol/L)FBG 6.42±0.62 6.47±0.65 9.36±0.16 7.59±1.10 18.70±3.18ac 12.63±7.06d總膽固醇(mmol/L)TC 1.63±0.45 1.41±0.08 3.29±0.51b 3.20±0.36 7.19±0.47bc 4.78±0.63e甘油三酯(mmol/L)TG 0.62±0.29 0.52±0.13 0.40±0.13 0.40±0.25 2.31±0.30bc 1.65±0.31e游離脂肪酸(mmol/L)FFA 0.30±0.01 0.22±0.04 0.46±0.14b 0.36±0.02 0.69±0.08bc 0.61±0.02空腹胰島(mU/L)FIns 7.68±1.42 7.17±0.24 9.29±0.48 10.60±0.62 15.38±0.74bc 14.71±3.87胰島素抵抗指數(shù)HOMA-IR 2.16±0.18 2.06±0.13 3.87±0.15 3.56±0.36 12.78±2.24bc 7.47±1.95e
2.2.2 葡萄糖耐量實(shí)驗(yàn)和胰島素耐量實(shí)驗(yàn)
在GTT實(shí)驗(yàn)中,注射葡萄糖后15 min時(shí),ND組、ND+V組、HFD組和HFD+V組的血糖濃度均上升到最大值,之后開始下降直到180 min時(shí)血糖濃度恢復(fù)到注射前左右;而DM組小鼠在注射后90 min時(shí)血糖才達(dá)到峰值,之后開始下降;DM+V組在t=30 min時(shí)血糖升高到峰值,在t=180 min血糖回歸到0點(diǎn)左右。與ND組比較,HFD組和DM組AUCGTT顯著增高(P<0.01或0.001);與HFD組比較,DM組AUCGTT顯著增高(P<0.001);與DM相比,DM+V組AUCGTT顯著降低(P<0.01)。見圖1。
圖1 葡萄糖耐量實(shí)驗(yàn)和曲線下面積Figure 1 Glucose tolerance test and area under curve
ITT實(shí)驗(yàn)中,ND組、ND+V組、HFD組、HFD+V組和DM+V組的血糖均在15~60 min時(shí)降至最低點(diǎn),而DM組血糖先升高后下降,60 min時(shí)降至最低。分別與ND組和HFD組比較,DM組AUCITT均顯著增高(P<0.001);和DM組相比,DM+V組AUCITT顯著降低(P<0.01)。見圖2。
圖2 胰島素耐量實(shí)驗(yàn)和曲線下面積Figure 2 Insulin tolerance test and area under curve
2.2.3 RT-qPCR檢測PI3K、Akt及FoxO1的mRNA表達(dá)
分別與ND組和HFD組比較,DM組PI3K、Akt的mRNA表達(dá)水平均顯著降低(P<0.001),而FoxO1的mRNA表達(dá)水平均顯著增高(P<0.05);與ND組相比,ND+V組FoxO1的mRNA表達(dá)顯著降低(P<0.05);與HFD組比較,ND組Akt的mRNA表達(dá)組顯著增高(P<0.05);與DM組比較,DM+V組PI3K及Akt的mRNA表達(dá)均顯著增高,F(xiàn)oxO1的mRNA表達(dá)顯著降低(P<0.01)。見表3。
表3 各組小鼠骨骼肌PI3K、Akt和FoxO1的mRNA表達(dá)(±s,n=5)Table 3 Expressions level of PI3K,Akt and FoxO1 mRNA in skeletal muscle of mice among each group
表3 各組小鼠骨骼肌PI3K、Akt和FoxO1的mRNA表達(dá)(±s,n=5)Table 3 Expressions level of PI3K,Akt and FoxO1 mRNA in skeletal muscle of mice among each group
注:與ND組相比,a P<0.05,b P<0.001;與HFD組相比,c P<0.05,d P<0.01,e P<0.001;與DM組相比,f P<0.01,h P<0.001。Note.Compared with ND group,a P<0.05,b P<0.001.Compared with HFD group,c P<0.05,d P<0.01,e P<0.001.Compared with DM group,f P<0.01,h P<0.001.
基因Genes普食組ND group普食+內(nèi)脂素組ND+V group高脂組HFD group高脂+內(nèi)脂素組HFD+V group糖尿病組DM group糖尿病+內(nèi)脂素組DM+V group PI3K 1.00±0.05 1.09±0.05 0.85±0.09 0.95±0.15 0.48±0.11be 0.81±0.04f Akt 1.00±0.11 1.16±0.14 0.82±0.08a 0.92±0.07c 0.33±0.10be 0.75±0.05h FoxO1 0.53±0.14 0.32±0.16a 0.43±0.12 0.41±0.14 0.72±0.16ad 0.26±0.10h
2.2.4 Western blot法檢測PI3K/Akt信號通路及其下游相關(guān)分子的蛋白表達(dá)
與ND組比較,DM組PI3K110α、p-Akt蛋白表達(dá)水平顯著降低,F(xiàn)oxO1、p-FoxO1和PDK4的蛋白表達(dá)水平均顯著增高(P<0.05);與ND組比較,HFD組FoxO1的蛋白表達(dá)顯著降低,而p-FoxO1的蛋白表達(dá)顯著增高(P<0.05);ND+V組FoxO1蛋白表達(dá)水平較ND組顯著降低(P<0.001)。與HFD組相比,DM組的p-Akt、p-FoxO1的蛋白表達(dá)水平均顯著降低,F(xiàn)oxO1、PDK4和PEPCK的蛋白表達(dá)水平均顯著增高(P<0.05)。與DM組比較,DM+V組中PI3K110α、p-Akt及p-FoxO1的蛋白表達(dá)均顯著增高,而FoxO1、PDK4和PEPCK的蛋白表達(dá)水平均顯著降低(P<0.05)。見圖3~6。
圖3 各組小鼠骨骼肌組織PI3K和Akt的活性蛋白表達(dá)Figure 3 Active pntein expression of PI3K and Akt in skeletal muscle tissues of mice in each group
圖4 各組小鼠骨骼肌組織FoxO1的蛋白表達(dá)Figure 4 Protein expression of FoxO1 in skeletal muscle tissues of mice in each group
圖5 各組小鼠骨骼肌組織PDK4的蛋白表達(dá)Figure 5 Protein expression of PDK4 in skeletal muscle tissues of mice in each group
圖6 各組小鼠骨骼肌組織G6Pase和PEPCK的蛋白表達(dá)Figure 6 Protein expression of G6Pase and PEPCK in skeletal muscle tissues of mice in each group
T2DM是一種多基因遺傳的慢性代謝紊亂綜合征,主要以糖脂代謝紊亂和胰島素作用受損、同時(shí)靶細(xì)胞或靶器官對胰島素刺激的反應(yīng)能力減弱為特征[12-13]。近年來研究發(fā)現(xiàn)Visfatin可作用于胰島素受體,使胰島素受體底物酪氨酸磷酸化以激活下游PI3K/Akt等信號通路,具有與胰島素類似的功能[14]。前期研究也發(fā)現(xiàn)Visfatin可以通過PI3K/Akt信號途徑上調(diào)其下游糖原合成酶激酶3β和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4的活性,下調(diào)FoxO1的表達(dá),增加L6骨骼肌細(xì)胞和KKAy小鼠骨骼肌組織對葡萄糖的攝取,改善IR[7-8,15],并且FoxO1與FBG、TG和HOMA-IR呈正性相關(guān)[16]。
骨骼肌是調(diào)節(jié)糖脂代謝的關(guān)鍵外周組織,Visfatin還可影響骨骼肌的胰島素敏感性,維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)[4]。臨床研究表明Visfatin血漿濃度與人體內(nèi)臟脂肪量密切相關(guān),在肥胖和T2DM人群中Visfatin濃度明顯升高,提示其可能參與肥胖相關(guān)的IR和糖尿病的發(fā)生[17]。FoxO1是能量穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,能直接上調(diào)骨骼肌組織PDK4的表達(dá),減少葡萄糖的利用[18-19],本實(shí)驗(yàn)中KKAy糖尿病小鼠的體重、攝食和血糖顯著增高,出現(xiàn)典型的糖代謝紊亂特征[20],分別與ND組和HFD組比較,DM組FBG、TC、TG、FFA、FIns、AUCGTT、AUCITT及HOMA-IR水平均顯著增高,HFD組小鼠TC和FFA水平較ND組均顯著增高,而注射Visfatin重組蛋白后,DM+V組的FBG、TC、TG、HOMA-IR、AUCGTT和AUCITT水平顯著降低,提示Visfatin可改善糖尿病小鼠的胰島素敏感性及糖脂代謝。糖尿病小鼠骨骼肌PI3K、Akt的基因及蛋白活性表達(dá)較ND和HFD組顯著降低,而FoxO1及PDK4的基因和蛋白表達(dá)水平較ND組和HFD組均明顯增高;注射內(nèi)脂素后DM組骨骼肌PI3K、Akt的基因和蛋白活性表達(dá)均顯著增高,而FoxO1及PDK4基因和蛋白表達(dá)水平均顯著降低。本實(shí)驗(yàn)證實(shí)Visfatin下調(diào)了骨骼肌FoxO1和PDK4的表達(dá),但HFD組及DM+V組FoxO1與p-FoxO1蛋白水平表達(dá)結(jié)果不一致,我們推測:(1)FoxO1不僅由磷酸化修飾,可能還與泛素化及乙?;绕渌鞍追g后修飾作用有關(guān),從而影響FoxO1的表達(dá);(2)FoxO1包含三個(gè)由Akt控制的磷酸化位點(diǎn),即Thr24、Ser256和Ser319,而本實(shí)驗(yàn)中只檢測了FoxO1蛋白磷酸化位點(diǎn)其中之一,不能完全代表p-FoxO1蛋白水平的表達(dá)。
FoxO1可誘導(dǎo)其下游靶點(diǎn)PDK4的轉(zhuǎn)錄激活,同時(shí),PDK4可使丙酮酸脫氫酶復(fù)合物磷酸化失活,減少丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán),從而調(diào)節(jié)糖異生和糖酵解途徑,而葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)是催化糖異生的關(guān)鍵酶[19,21]。研究發(fā)現(xiàn)通過誘導(dǎo)PDK基因,過氧化物酶體增殖物激活受體γ激活因子1α將促進(jìn)丙酮酸代謝為乙酰輔酶A,進(jìn)入糖異生途徑;相反,抑制PDK4基因后,可降低血糖、改善IR[22]。在肥胖小鼠和IR的肝細(xì)胞中PEPCK和G6Pase表達(dá)明顯增加,而抑制PEPCK和G6Pase的表達(dá)可通過減少肝糖異生從而逆轉(zhuǎn)IR[23-24]。本實(shí)驗(yàn)中DM+V組小鼠骨骼肌中PEPCK蛋白表達(dá)明顯低于DM組小鼠,與上述研究結(jié)果一致,但G6Pase蛋白表達(dá)無明顯差異,可能是實(shí)驗(yàn)中注射Visfatin的時(shí)間較短所致。因此,進(jìn)一步構(gòu)建Visfatin過表達(dá)腺相關(guān)病毒載體,擬研究長時(shí)間持續(xù)作用的Visfatin對糖脂代謝相關(guān)分子基因和蛋白表達(dá)的影響,有待于更進(jìn)一步證實(shí)Visfatin在糖尿病及IR中的作用。
總之,在KKAy糖尿病小鼠骨骼肌組織中,Visfatin可能通過PI3K/Akt途徑下調(diào)FoxO1、PDK4的表達(dá),發(fā)揮改善糖脂代謝和IR的作用。本研究也存在一定的局限性,后續(xù)將繼續(xù)完成過表達(dá)腺相關(guān)病毒實(shí)驗(yàn),同時(shí)用腺相關(guān)病毒干擾PI3K/Akt/FoxO1信號通路后觀察FoxO1及其下游分子的表達(dá)變化,以期為糖尿病和IR防治提供潛在的視點(diǎn)。